JP5689744B2 - 軸封構造および回転流体機械 - Google Patents

Description

本発明は軸封構造および回転流体機械に関する。

回転流体機械では、回転軸とハウジングとの隙間を封止する軸封構造が必要である。例えば、スクリュ圧縮機では、ロータ室からロータ軸を伝って漏出した流体が、ロータ軸を支持する軸受に達すると、軸受を損傷する場合がある。特に、回転流体機械では流体の圧力が高い吐出側のロータ軸の軸封が問題となりやすい。

そこで、特許文献１の蒸気用スクリュ圧縮機では、吐出側のロータ軸のスクリュロータと軸受との間の軸封構造として、スクリュロータ側から順番に、第１ラビリンスシール、第２ラビリンスシースおよびリップシールを設け、第１ラビリンスシールと第２ラビリンスシールとの間にラビリンスシールによる軸封を助ける軸封流体を供給し、第２ラビリンスシールとリップシールとの間を大気に開放した構造を採用している。

ラビリンスシールは、ロータ軸に嵌装されたロータと、ハウジングに保持されたステータとの間に入り組んだ狭い隙間を形成し、その隙間を流れる流体の圧力損失によって流体の通過を制限するシール装置である。したがって、ラビリンスシールは、ロータとステータとが正確に調芯されていなければ、十分に機能しない。

スクリュ圧縮機では、その構造上、スクリュロータに流体の圧力が加わると、ロータ軸が撓む。このため、ラビリンスシールの軸方向の長さが長い場合、スクリュ圧縮機では、ロータ軸の撓み量が大きくなり、ラビリンスシールと軸が接触し、ラビリンスシールを破損する危険性がある。ひいては、ラビリンスシールによる軸封が不十分になる可能性がある。

特許文献１のスクリュ圧縮機では、万一、ラビリンスシールの軸封が不十分になると、ロータ室から漏出した蒸気がラビリンスシールを通過して、リップシールを損傷させる可能性がある。特に、特許文献１のように蒸気を圧縮する圧縮機では、ラビリンスシールを通過した蒸気は、リップシールとロータ軸との摩擦部分の温度を上昇させるため、その漏れが僅かであっても、リップシールの損傷を引き起こす可能性がある。これを防止しようとして、低温の潤滑流体をリップシールとロータ室との間の空間に供給すれば、ロータ室側に低温の流体が漏洩し、蒸気を凝縮させてしまうため、圧縮機の効率が低下してしまう。

特開２００９−２８７４１３号公報

前記問題点に鑑みて、本願発明は、軸の撓みによって軸封能力が低下しない軸封構造、および、ロータ軸が撓んでも軸封能力が低下しない回転流体機械を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による軸封構造は、間隔を空けて回転軸を取り囲むハウジングから、前記回転軸に向かって突出し、前記回転軸に垂直な環状のシール面を備える第１の突出部と、前記ハウジングから前記回転軸に向かって突出し、前記シール面に対向する支持面を備える第２の突出部と、前記第１の突出部と前記第２の突出部との間に配置され、内径が前記回転軸の外形よりも僅かに大きいシールリングと、前記シールリングと前記支持面との間に配設され、前記シールリングを前記シール面に押圧する付勢部材とを有する軸封部を複数備え、前記ハウジングは、隣接し合う前記シールリングの間に形成される供給空間にシール流体を供給するシール流体流路が設けられているものとする。

この構成によれば、回転軸が撓んでも、シールリングが回転軸に追従して移動するため、回転軸との隙間が大きくならず、軸封能力が低下しないシールリングの間の供給空間にシール流体を供給するので、供給空間からシールリングと回転軸との隙間を介してシール流体が流れ出る。このシール流体の流れは、軸封構造によって封止すべき流体が供給空間に進入することを防止するので、軸封が完全なものとなる。

また、本発明の軸封構造において、前記ハウジングは、隣接し合う前記シールリングの間に形成された排気空間を前記シール流体よりも圧力が低い低圧空間に連通させる排出流路が設けられており、前記排出空間は、前記供給空間よりも高圧側に位置してもよい。

この構成によれば、高圧側から排出空間に漏出した封止対象流体および供給空間から排出空間に流出したシール流体を、排出流路から外部に排出して、排出空間を供給空間よりも低圧に維持できるので、封止対象流体が供給空間に進入することを確実に防止できる。

また、本発明の軸封構造において、前記回転軸は、前記シール流体流路に対向する位置に、全周に亘って形成された台形断面の台形溝を備えてもよい。

この構成によれば、シール流体が台形溝内で回転軸の全周に亘って等しい圧力で広がることにより、シールリングと回転軸との隙間の全周に亘って均一なシール流体の流れを形成することができ、シール流体による封止対象流体の封止が確実になる。また、台形溝の傾斜した側壁は、側壁に沿って径方向内側に移動しようとする流体に遠心力を作用させて、その移動を制止できる。

また、本発明の軸封構造において、前記回転軸は、前記排出流路に対向する位置に、全周に亘って形成された三角形断面の三角溝を備えてもよい。

この構成によれば、傾斜した面に沿って径方向内側に移動しようとする封止対象流体に遠心力を作用させて、その移動を制止できる。

また、本発明の軸封構造において、前記供給空間よりも低圧側に配設され、低圧側に向かって拡径する円錐形の外周面を備えるスリーブと、前記ハウジングから突出して前記外周面との間に微小な隙間を形成する円錐形の傾斜面を備える第３の突出部とを有してもよい。

この構成によれば、低圧側からその微小な隙間に進入した流体に遠心力を作用させて、その移動を制止できる。

また、本発明による回転流体機械は、前記軸封構造のいずれかを備えるものとする。

この構成によれば、回転軸に作用する圧縮流体の作用により回転軸が撓んでも、軸封能力が低下せず、軸封構造の寿命が長いので、保守の手間が小さい。

本発明の第１実施形態の軸封構造の断面図である。 本発明の第２実施形態の軸封構造の断面図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態の回転流体機械の軸封構造を示す。本実施形態は、蒸気を圧縮するためのスクリュ圧縮機の吐出側の軸封に本発明を適用した例である。つまり、本実施形態では、蒸気を本軸封構造で封止する対象の流体とする。

本実施形態では、ハウジング１の内部に、スクリュロータ２のロータ軸（回転軸）３を、玉軸受４によって支持している。

ハウジング１は、ロータ軸３に向かって径方向に突出した複数の突出部５〜１５が形成されている。突出部６，７，８，１０，１１，１５のスクリュロータ２側（高圧側）の側面、および、突出部１２の玉軸受４側（低圧側）の側面は、それぞれ、ロータ軸３に垂直なシール面１６を構成している。また、突出部５，６，７，９，１０，１４の玉軸受４側（低圧側）の側面、および、突出部１３のスクリュロータ２側（高圧側）の側面は、それぞれ、ロータ軸３に垂直な支持面１７を構成している。

突出部５と６の間、突出部６と７の間、突出部７と８の間、突出部９と１０の間、突出部１０と１１の間、突出部１２と１３の間、および、突出部１４と１５の間には、それぞれ、内径がロータ軸３よりも僅かに大きいシールリング１８と、軸方向に圧縮された付勢部材１９とが配置されている。付勢部材１９は、一端がシールリング１８に当接し、他端が支持面１７に当接しており、その弾性力によって、シールリング１８をシール面１６に押圧している。

本実施形態のシールリング１８は、ロータ軸３と同じ材質（例えばステンレス鋼）からなる金属製のリングに無電解ニッケル皮膜中にＰＴＦＥの微粒子を分散共析させた複合めっき皮膜（例えば、登録商標カニフロン）を備える。

また、ハウジング１は、突出部１０と１１の間、つまり、突出部１０のシール面１６に圧接されたシールリング１８と突出部１１のシール面１６に圧接されたシールリング１８との間に形成された第１の排出空間に、大気に開放された第１排出流路２０が設けられ、突出部１１と１２の間に、つまり、突出部１１のシール面１６に圧接されたシールリング１８と突出部１２のシール面１６に圧接されたシールリング１８との間に形成された第２の排出空間に、大気に開放された第２排出流路２１が設けられている。

また、ハウジング１は、突出部１３と１４の間、換言すれば、突出部１２のシール面１６に圧接されたシールリング１８と突出部１５のシール面１６に圧接されたシールリング１８との間に形成された供給空間に、シール流体（例えば空気や窒素ガス）が供給されるシール流体流路２２が設けられている。したがって、第１排出流路２０および第２排出流路２１は、シール流体流路２２よりも高圧側（スクリュロータ２側）に設けられている。

ロータ軸３には、第２排出流路２１に対向する位置に、スクリュロータ２側が斜めに約４５°傾斜し、玉軸受４側が垂直なＶ字型の三角溝２３が形成されており、また、シール流体流路２２に対向する位置に、底辺が軸方向に延伸し、両側壁が斜めに約４５°傾斜した台形断面の台形溝２４が形成されている。

また、ロータ軸３は、途中で縮径しており、その段差と玉軸受４との間にスリーブ２５が嵌装されている。スリーブ２５は、玉軸受４側に向かって拡径する円錐形の外周面２６を構成するように外側に突出している。ハウジング１の突出部１５の玉軸受４側の側面は、突出部２５の外周面２６と同じ角度で傾斜した円錐形の傾斜面２７を構成している。これにより、突出部１５の傾斜面２７とスリーブ２５の外周面２６との間に、低圧側に向かって拡径するように傾斜した微小な隙間である狭いシールギャップ２８が形成されている。

本実施形態のシール構造では、シール面１６に密着したシールリング１８が、それぞれ、ロータ軸３の外周に近接し、シールリング１８とロータ軸３との僅かな隙間を通過しようとする流体に圧力損失を生じさせることによって、蒸気の通過を抑制する軸封機能を発揮する。

シールリング１８は、シール面１６に沿って径方向に移動可能である。したがって、仮に、ロータ軸３が撓んで、各シールリング１８のある位置においてハウジング１に対してロータ軸３が偏芯したとしても、シールリング１８がそれぞれロータ軸３に追従して径方向に移動する。これにより、シールリング１８およびロータ軸３の摩耗や破損を防止して、シールリング１８とロータ軸３との隙間が拡大しないように維持し、軸封能力の低下を防止する。

つまり、シール面１６および支持面１７を形成する突出部の対と、それらのシール面１６と支持面１７との間に配置されたシールリング１８および付勢部材１９とは、軸封構造の最小単位である軸封部を構成しており、本実施形態は、７つの軸封部を有している。尚、当然ながら、本発明に係る回転流体機械の軸封構造はこの７つの軸封部を有するものに限定されるものではない。上述の軸封部の個数については適宜、増減が可能である。

また、シールリング１８は、ロータ軸３と同じ材質からなるため、その熱膨張率がロータ軸３と同じである。したがって、ロータ軸３の温度が上昇してロータ軸３の径が熱膨張によって大きくなっても、シールリング１８も同じように熱膨張して、その内径を拡大する。これにより、ロータ軸３とシールリング１８との間の隙間がほぼ一定に保たれ、軸封能力が変化しない。

また、シールリング１８は、摩擦係数が小さい表面処理である、無電解ニッケル皮膜中にＰＴＦＥの微粒子を分散共析させた複合めっき皮膜を有するので、シール面１６との間の摩擦力が小さく、小さな力でシール面１６に沿って径方向に移動させられる。これにより、ロータ軸３が偏芯してシールリング１８に当接したときのシールリング１８の移動が確実である。さらに、この表面処理は、シールリング１８とロータ軸３との間の摩擦をも低減するので、ロータ軸３が偏芯してシールリング１８に当接したときのシールリング１８の摩耗や損傷を抑制して、軸封能力を長期に亘って維持できる。

尚、シーリング１８は、他の種類の表面処理（摩擦係数μが０．２程度以下となるような、摩擦係数の小さい表面処理。具体的にはニッケル、リン、ホウ素（ボロン）の３元合金での無電解めっきによる皮膜処理 （商標登録カニボロン）のような表面処理。）を施したものでもよく、表面処理していないものであってもよい。また、シールリング１８は、ロータ軸３と異なる材質（カーボンのような金属以外の材質を含む）で形成してもよい。ただし、シールリング１８を、ロータ軸３と異なる材質（特にロータ軸３より熱膨張率が小さい材質）で形成する場合、ロータ軸３の熱膨張によって、シールリング１８自体が損傷することを回避するため、シールリング１８が単一の部材からなるものではなく、複数の円弧状の部材を組み合わせて構成されてなるもの、いわゆるセグメントシールなどを採用するのが好ましい。

また、本実施形態では、シール流体流路２２に、少なくとも大気圧以上の圧力を有するシール流体が供給され、シール流体流路２２よりスクリュロータ２側に第１排出流路２０および第２排出流路２１が設けられているので、突出部１２と突出部１５との間の空間の圧力は、突出部１１と突出部１２との間の圧力（第２排出流路）よりも高くなる。このため、突出部１２に密接するシールリング１８とロータ軸３との間の隙間には、突出部１３側から突出部１１側に向かって、つまり、玉軸受４側からスクリュロータ２側に向かってシール流体が流れる。

このため、スクリュロータ２からロータ軸３に沿って流出した蒸気が、突出部１１のシールリング１８を通過したとしても、突出部１２のシールリング１８とロータ軸３との間のシール流体の流れに阻まれて、第２排出流路２１から外部に流出することしかできない。また、さらに、ロータ軸３に沿って玉軸受４側に流出した蒸気を、第１排出流路２０から大気に放出するので、第２排出流路２１の圧力がシール流体流路２２の圧力よりも高くならず、一定のシール流体の流れが確保される。

また、本実施形態では、ロータ軸３の第２排出流路２１に対向する位置に、三角溝２３が形成されている。ロータ軸３に沿って漏出した蒸気が凝縮して凝縮水となってロータ軸３に付着し、ロータ軸３を伝って三角溝２３まで到達したとしても、凝縮水は、さらにロータ軸３を伝って玉軸受４側に移動するためには、玉軸受４側に向かって縮径した三角溝２３に沿って径方向内側に移動する必要がある。しかしながら、ロータ軸３上の凝縮水には、ロータ軸３の回転による遠心力が作用するので、凝縮水は三角溝２３の底に向かって移動することができない。つまり、凝縮水は、三角溝２３を超えることができない。

さらに、本実施形態では、ロータ軸３のシール流体流路２２に対向する位置に、台形溝２４が形成されているので、シール流体流路２２から供給されたシール流体は、この台形溝２４内でロータ軸３の周方向に均一な圧力で行き渡る。これにより、隣接するシールリング１８とロータ軸３との隙間の全周に亘って等しい速度で通過する一様な流れを形成する。このため、周方向に部分的な蒸気の通過も防止される。

また、この台形溝２４の傾斜した側壁は、三角溝２３と同様に、遠心力によって、ロータ軸３を伝う液体の移動を制止する機能を有する。これにより、スクリュロータ２から漏出した蒸気の凝縮水が玉軸受４側に移動しないだけでなく、玉軸受４から潤滑油が漏出した場合には、潤滑油を押し留めて、さらなる潤滑油の漏出を防止する。

また、本実施形態では、スリーブ２５と突出部１５との間に傾斜した微小な隙間であるシールギャップ２８が形成されている。このシールギャップ２８は、玉軸受４の潤滑油がシールギャップ２８に進入したとしても、外周面２６の回転によって潤滑油に遠心力を作用させ、傾斜面２７に沿って玉軸受４側に潤滑油を押し戻す。これにより、シールギャップ２８を介してスクリュロータ２側へ玉軸受４の潤滑油が漏出することを防止して、玉軸受４の潤滑を確保できる。

尚、図１における玉軸受４とシールギャップ２８との間の空間には、図示されない低圧空間（例えば、大気圧のギアボックス）と連通する低圧連通路が接続されているのが、より好ましい。この構成によれば、シール流体流路２２から供給されたシール流体が、突出部１４と突出部１５との間に介在するシールリング１８とロータ軸３とのわずかな間隙を通じ、さらにシールギャップ２８、玉軸受４とシールギャップ２８との間の空間、図示されない低圧空間へと通じるという、シール流体の流れが形成される。このシール流体の流れによって、潤滑油がシールギャップ２８を介してスクリュロータ２側へ漏出することが防止される。尚、この場合、玉軸受４へ潤滑油を供給する潤滑油供給路が形成されていることも好ましい。

続いて、図２に、本発明の第２実施形態の軸封構造を示す。尚、本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態において、ロータ軸３は、三角溝２３を有しておらず、代わりに、突出部１２に密接するようなリップを有するＶリング２９が配設されている。また、本実施形態は、スリーブ２５を有しておらず、ロータ軸３の大径部が玉軸受４を位置決めするように延伸している。そして、この部分にも、突出部１５に密接するようなリップを有するＶリング３０が配設されている。

この実施形態では、ロータ軸３が回転することにより発生する遠心力と、シール流体流路２２に供給されたシール流体により、Ｖリング２９，３０のリップを押し広げて、Ｖリング２９と突出部１２の間およびＶリング３０と突出部１５の間に微小な隙間を形成する。これにより、Ｖリング２９，３０は、突出部１２，１５と非接触で回転し、シール流体の流れに逆らう蒸気や凝縮水、或いは、潤滑油の移動を防止する。尚、停止時には、Ｖリング２９と突出部１２およびＶリング３０と突出部１５が密接することにより、蒸気や凝縮水、或いは、潤滑油の移動を防止する。

尚、上述の実施形態では、本発明を、スクリュ圧縮機の吐出側に適用したが、本発明は、多様な装置の回転軸の軸封構造として広く採用できる。また、本発明は、スクリュエキスパンダ（膨張機）のような回転流体機械の高圧側の軸封装置とすることが効果的であるが、低圧側の軸封装置にも適用できる。

さらに、上述の実施形態は、大気に開放された排出流路２０，２１を備えるが、本発明における排出流路は、シール流体よりも低圧に維持される低圧空間に連通していればよい。

尚、本発明に係る軸封構造、およびその軸封構造を備える回転流体機械は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の第１実施形態では、スクリュロータ２側が斜めに約４５°傾斜し、玉軸受４側が垂直なＶ字型の三角溝２３が形成されたものを示したが、約４５°の傾斜の面や、垂直の面については、適宜、各々の面の角度を変更してもよい。また、台形断面の台形溝２４に替えて、例えば、断面が略半円状に形成された円弧溝や、断面がＶ字状に形成されたＶ字溝を採用しても良い。

また、第２実施形態において、Ｖリング２９，３０の間に設置されている、シールリング１８と付勢部材１９は、シール流体消費量（すなわち、油がロータ室側に漏れることとロータ室から漏れた蒸気が軸受側に漏れることを防止するために必要な流体の流量）が許容できるのであればなくてもよい。

１…ハウジング
２…スクリュロータ
３…ロータ軸（回転軸）
４…玉軸受
５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５…突出部
１６…シール面
１７…支持面
１８…シールリング
１９…付勢部材
２０…第１排出流路
２１…第２排出流路
２２…シール流体流路
２３…三角溝
２４…台形溝
２５…スリーブ
２６…外周面
２７…傾斜面
２８…シールギャップ
２９，３０…Ｖリング

Claims (7)

1. 間隔を空けて回転軸を取り囲むハウジングから、前記回転軸に向かって突出し、前記回転軸に垂直な環状のシール面を備える第１の突出部と、前記ハウジングから前記回転軸に向かって突出し、前記シール面に対向する支持面を備える第２の突出部と、前記第１の突出部と前記第２の突出部との間に配置され、内径が前記回転軸の外形よりも僅かに大きいシールリングと、前記シールリングと前記支持面との間に配設され、前記シールリングを前記シール面に押圧する付勢部材とを有する軸封部を複数備え、
   前記ハウジングは、隣接し合う前記シールリングの間に形成される供給空間にシール流体を供給するシール流体流路が設けられており、
   前記ハウジングは、隣接し合う前記シールリングの間に形成された排出空間を前記シール流体よりも圧力が低い低圧空間に連通させる排出流路が設けられており、
   前記排出空間は、前記供給空間よりも高圧側に位置することを特徴とする軸封構造。
2. 間隔を空けて回転軸を取り囲むハウジングから、前記回転軸に向かって突出し、前記回転軸に垂直な環状のシール面を備える第１の突出部と、前記ハウジングから前記回転軸に向かって突出し、前記シール面に対向する支持面を備える第２の突出部と、前記第１の突出部と前記第２の突出部との間に配置され、内径が前記回転軸の外形よりも僅かに大きいシールリングと、前記シールリングと前記支持面との間に配設され、前記シールリングを前記シール面に押圧する付勢部材とを有する軸封部を複数備え、
   前記ハウジングは、隣接し合う前記シールリングの間に形成される供給空間にシール流体を供給するシール流体流路が設けられており、
   前記回転軸は、前記排出流路に対向する位置に、全周に亘って形成された三角形断面の三角溝を備えることを特徴とする軸封構造。
3. 間隔を空けて回転軸を取り囲むハウジングから、前記回転軸に向かって突出し、前記回転軸に垂直な環状のシール面を備える第１の突出部と、前記ハウジングから前記回転軸に向かって突出し、前記シール面に対向する支持面を備える第２の突出部と、前記第１の突出部と前記第２の突出部との間に配置され、内径が前記回転軸の外形よりも僅かに大きいシールリングと、前記シールリングと前記支持面との間に配設され、前記シールリングを前記シール面に押圧する付勢部材とを有する軸封部を複数備え、
   前記ハウジングは、隣接し合う前記シールリングの間に形成される供給空間にシール流体を供給するシール流体流路が設けられており、
   前記供給空間よりも低圧側に配設され、低圧側に向かって拡径する円錐形の外周面を備えるスリーブと、
   前記ハウジングから突出して前記外周面との間に微小な隙間を形成する円錐形の傾斜面を備える第３の突出部とを有することを特徴とする軸封構造。
4. 前記回転軸は、前記排出流路に対向する位置に、全周に亘って形成された三角形断面の三角溝を備えることを特徴とする請求項１または３に記載の軸封構造。
5. 前記供給空間よりも低圧側に配設され、低圧側に向かって拡径する円錐形の外周面を備えるスリーブと、
   前記ハウジングから突出して前記外周面との間に微小な隙間を形成する円錐形の傾斜面を備える第３の突出部とを有することを特徴とする請求項１、２または４のいずれかに記載の軸封構造。
6. 前記回転軸は、前記シール流体流路に対向する位置に、全周に亘って形成された台形断面の台形溝を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の軸封構造。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の軸封構造を備えることを特徴とする回転流体機械。

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