JP5864475B2 - 回転あるいは並進運動シャフト用の圧力補償作用を備えたシーリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、機械の回転あるいは並進運動シャフト用の圧力補償作用を備えたシーリングシステムに関する。

本発明は動的シーリングの分野に関し、これは、特に、たとえば流体エネルギーの発生および海底掘削のような、浸漬状態で回転する機械の用途において必要とされる。

流体、たとえば潤滑剤で満たされ、かつ、回転機械の回転シャフトの半径方向における周囲で形成されるコンパートメントのシーリングを付与するにあたっての問題が、よく知られている。これは、圧力差がチャンバー間で過大である場合には、シャフトの回転は摩擦を、したがって、その半径方向における周囲に配置されたシールのかなりの磨耗を生じるためである。

そうした回転機械が浸漬設備において使用される場合、問題はさらに大きくなる。というのは、メンテナンスに大変な費用がかかり、しかも適切な作動をチェックするための標準ベーシスへの人的介入が排除されるからである。

さらに、回転機械が海底用途で使用される場合、波による水の動きおよび海面レベルの変化が存在するという事実に起因して、そして水中での機械の浸漬および引き抜きの間、さらなる問題が生じるが、これは、動的シーリングシステムの外部シールに加われる外部圧力を変化させる。そうした圧力の変化は、漏れあるいはシールの早期磨耗を引き起こすおそれがある。

デュアルシール動的シーリングシステムは、たとえば「Supreme Ventus」（登録商標）シールとして従来公知であり、これは、エア制御ユニットによって実施されるシール間の圧力のアクティブ制御を伴い、エアの圧力は、制御ユニット（圧力リリーフバルブ、バルブ、圧力リリーフバルブおよびセンサー）によって調整される。この解決策は、圧力の局所変動を補償することを、そして海底環境において動的シーリングを提供することを可能とするが、それは複雑であり、しかも、センサーおよびアクティブ制御ループによるアクティブ制御を必要とする。

本発明の目的は、外部圧力が変化する場合でもシーリングを依然として実現しながら、より簡素かつより頑丈な動的シーリングシステムを提供することによって、従来技術の上記問題を解決することである。

このために、本発明は、機械の回転あるいは並進運動シャフト用の圧力補償作用を備えたシーリングシステムであって、第１の流体を含むコンパートメントのシーリングを実現するよう構成されかつシャフトの半径方向における周囲に形成され、コンパートメントを隔離するよう構成された少なくとも一つのリップシールを具備し、当該シールはシャフトの半径方向における周囲に配置されかつホルダーによって保持されたシーリングシステムを提供する。本発明に基づくシーリングシステムは、
ホルダーに連結された圧力倍増システムであって、円筒形チューブと、直径が異なる二つのヘッドを備えたピストンとを備え、ピストンヘッドの直径にそれぞれ対応する異なる直径の二つの隔離されたチャンバーへと円筒形チューブを区分することができ、小直径のチャンバーはホルダーに連結されかつ第１の流体と連通状態であり、大直径のチャンバーは第２の流体で少なくとも部分的に満たされている圧力倍増システムと、
流体を回収するためのデバイスであって、大直径のチャンバーに接続され、ガスで満たされ、かつ、シールと接触状態の第１の流体への圧力がシールに加えられる外部圧力よりも大きなものであることを保証するようにピストンの変位の間にチャンバーの第２の流体の一部を回収するよう構成された、流体を回収するためのデバイスとを備える。

有利なことに、本発明に基づくシーリングシステムは圧力倍増システムを備え、これは、たとえば波の存在、海面レベルの変動に起因する、そして水中での機械の浸漬および引き抜き段階の間の圧力変動の場合でさえ、リップシールに加えられる外部圧力がコンパートメントの内側に配置された流体への圧力よりも小さなものであることを保証することを可能とする。有利なことに、本発明に基づくシーリングシステムは、アクティブ制御ループを実装するデバイスよりも大幅に簡素であり、なぜなら、それは完全に受動的であり、センサーによるアクティブ制御を要しないからである。

本発明に基づくシーリングシステムは、以下の特徴の一つ以上を有することができる。
・それは、背中合わせにあるいは向かい合って配置された二つの上記リップシールを備え、かつ、上記圧力増幅システムはホルダーに連結され、そして二つのシール間に形成される内部コンパートメントと連通状態である。
・隔離させられるコンパートメント内の流体の圧力は、隔離させられるコンパートメント上に配置された膜あるいはベローズを用いて、コンパートメントの外部圧力とバランスさせられる。
・圧力増幅システムはさらに、大直径のピストンヘッド上に配置された、密閉保護ベローズを備える。
・ピストンヘッドの大直径と小直径との間の関係は１ないし２である。
・それはさらに、シャフトの半径方向における周囲に配置されたバルブによって制御可能な少なくとも一つの膨張式シールを備える。
・上記第１の流体は潤滑油である。
・上記第１および第２の流体は同じものであり、かつ、それはさらに、上記円筒形チューブに流体を供給できる、水中で接続可能なポンプを備える。
・上記ピストンヘッドはシールを備える。
・上記リップシールは、シャフト上に設けられた被覆でコートされたジャケット上に配置される。

本発明のそれ以外の特徴および利点は、説明のためであって決して限定のためではない図面に関連した以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の第１実施形態に基づく、シャフト上に配置されたシーリングシステムの概略断面図である。 本発明の第２実施形態に基づく、シャフト上に配置されたシーリングシステムの概略断面図である。 図１に示す第１実施形態の第１の代替例である。 図１に示す第１実施形態の第２の代替例である。

以下、本発明について、回転シャフトへのその応用について説明するが、それは、浸漬状態で機能する、流体エネルギーを用いて電気エネルギーを発生させるための回転機械の一部である。

だが、本発明に基づく動的シーリングシステムは、穿孔状況において２種類の流体間に動的シール（並進運動あるいは回転に関して）が要求される機械の一部である何らかの部分のために、エネルギーを発生させる用途以外の海底用途のために、あるいは動的シールが２種類の流体間に要求される機械を具現化する、その他の用途のために適用される。

上記動的シーリングシステムは、浸漬状態で作動するときに特別な利点を有するが、この場合、水の圧力が水の動きに応じて変化する。だが、シーリングシステムはまた、オープンエアの水面上に配置された場合にも機能する。

図１は、図示していない回転機械の回転シャフトを断面で示しているが、これは深さＨの位置で水中に沈められている。

深さＨは、通常、２０ｍないし８０ｍであるが、そうしたシステムの使用を妨げる最大深さは存在しない。

考察下にある用途において、外部環境は、したがって水から構成される環境であり、その深さは、波の存在、海面のレベルの変化によって周期的に、そして機械の浸漬および引き抜き段階の間に変化する。

シャフト１の上には、シャフト１と固定部分との間に形成されるコンパートメント３を液密状態で封止することを意図された、本発明の第１実施形態に基づくシーリングシステム２が半径方向に配置されている。コンパートメント３は、この実施形態では水である外部流体とは対照的に内部流体とも呼ばれる流体４で満たされている。内部流体は、たとえばオイルあるいはグリースタイプの潤滑剤である。

シーリングシステム２は、この実施形態では、それぞれ６および８で示す二つのシールを備えるが、これはリップシールであり、シャフト１の半径方向における周囲でホルダー１０によって保持されている。ホルダー１０は、コンパートメント３を形成する回転機械の上記部分の一部、たとえば回転シャフト１に対して取り付けられた固定部分である。

シール６は、その面の二つで内部流体と接触しており、一方、シール８は外部シールであり、その面の一方で内部流体と接触し、そして反対側の面で、水と、あるいはさらに大まかに言うと外部環境と接触している。

シール６および８は、たとえば合成素材からなるリップシールである。

二つのシール６および８は、オイルまたはグリースタイプの流体で満たされた内部コンパートメント１２を形成する。ここで、この実施例では、それは、コンパートメント３の内部流体と同じ流体であるが、これは必須ではない。

回転シャフト１の動作中の漏れを抑えるための圧力の好ましい方向を示すために、矢印が付加されている。

シール６および８は、背中合わせに、あるいは向かい合って、したがって逆方向に設けられている。

図１の実施形態では、シール８に関して、コンパートメント１２内の圧力が水の外部圧力よりも大きいことが好ましいことが示されている。

シール６に関して、コンパートメント１２内の圧力は、シール８と反対側の面に加えられるコンパートメント３の内部流体の圧力よりも大きいことが好ましい。

図１に示す実施形態では、それぞれのシール６および８は、シャフト１の磨耗を制限するために被覆で覆われたジャケット１４上に配置される。

圧力倍増システム１６が、二つのシール間に形成されたコンパートメント１２と連通状態であるような様式で、ホルダー１０に接続されている。

圧力倍増システム１６は液圧シリンダータイプのものであり、直径の異なる二つの部分２０および２２をなす円筒形チューブ１８と、チューブ１８の内部に対応する、それぞれｄ１およびｄ２で表す異なる直径の二つのヘッド２５および２６を備えたピストン２４とを備える。ピストン２４は、静止状態において、ピストンヘッド２５および２６がシール３０を用いて円筒形チューブの対応する部分内に収まることで、円筒形チューブ１８内に、二つの隔離されたチャンバー２８および２９を形成する。

小直径のチャンバー２９は、シール６および８間に形成されたコンパートメント１２と連通状態である。圧力倍増システムの内部チューブ１８は、やはりコンパートメント１２内に存在する流体、たとえばオイルで満たされている。

代替例では、チャンバー２８および２９はそれぞれ異なる流体で満たされる。

この実施形態では、圧力倍増システムは、さらに、大直径のヘッド２５の上に配置された密閉保護ベローズ３２を備える。より好ましくは弾性素材から形成された、この保護ベローズ３２は、たとえば、チューブ１８の外面に接着され、そしてピストンヘッド２５を腐食から保護することを可能とする。それはまた、生じる可能性があるオイルの僅かな漏れを回収することを可能とする。

流体レキュペレーター３４が、静止状態でピストンによって形成される大直径のチャンバー２８に対応する、チューブ１８の大直径を備えた部分２０に接続されている。流体レキュペレーター３４は、流体およびガス３５を含み、かつ、ピストン２４が降下したときにチャンバー２８の流体を回収する機能を有する。流体レキュペレーター３４内に収容されたガス３５は、ピストンが降下した際に圧縮される。

ピストン２４は、コンパートメント１２内で圧力を加えるために、そして流体レキュペレーター３４の流体の柱による圧力に抗するために、十分な質量を有するようなサイズとされる。そうした質量は、回転機械がオープンエアの水面上に置かれた場合でさえ、シーリングシステムの作動を保証することを可能とする。

さらに、シーリングシステムは、この実施形態では、コンパートメント３の壁上に配置された、膜３６あるいは密閉ベローズを備えるが、これは、水とコンパートメント３の内部流体との間の等圧力を、そのレベルで保証する機能を有する。さらに詳しく言うと、コンパートメント３が回転シャフトに取り付けられた固定部分によって形成される場合、膜３６は、この膜３６への圧力がシャフト１への、したがってコンパートメント３と接触状態にあるシール６の表面への内部流体の圧力よりも一貫して大きいように固定部分の高い壁の上に配置される。この特性は、内部流体が水の密度よりも小さい密度を有する場合には変更される（これは特にオイルの場合である）。

浸漬された回転機械の上の深さＨのレベルが変化するとき、ピストン２４上の圧力Ｐ１に関するプラスあるいはマイナス１バールの変動を伴って、水の圧力は変化する。

圧力倍増システム１６によって、コンパートメント１２内の内部流体への圧力Ｐ２は、常時、その外面（これは水と接触状態である）において外部シール８に対して加えられる水の圧力Ｐ３よりも高い。

圧力Ｐ１が増大するとき、圧力Ｐ２は、ピストンヘッド２５および２６の直径の関係によって増大させられ、これはコンパートメント１２への圧力Ｐ２を増大させる。

流体の一部がコンパートメント１２から逃げる場合、ピストン２４は降下し、そしてチャンバー２８の流体は、流体３４を受けるためのデバイスに向かって放出される。流体を回収するためにデバイスのガスは、回収される流体の体積の前方にガスの圧倒的な初期体積が存在するという条件を伴って、作動に影響を与えることなく、僅かに圧縮される。

これに関して、圧力倍増システム１６を、圧力の偏差ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ３が常に正でありかつ常にシールの最適な作動の範囲内に存在するようなサイズとすることが可能である。

ピストンヘッド２５および２６のそれぞれの直径、ｄ１およびｄ２は、考察下の使用の条件に関連して計算される。たとえば、その寸法がｄ１＝０.４８ｍでかつｄ２＝０.４５７ｍである増幅器を用いることで、本発明に基づくシーリングシステムは、Ｈ＝３０ｍの深さでの圧力補償を保証する。これに関し、たとえば、３.０２バールの圧力Ｐ１および３.１２バールのＰ３について、圧力Ｐ２は３.４９バールである。

さらに好ましくは、直径の関係は０.５ないし２の範囲内にあり、したがって大直径と小直径との間の関係ｄ１／ｄ２は１ないし２である。深さが増大するほど、Ｐ３とＰ２との間の圧力差を制限するために、直径の関係ｄ１／ｄ２は、ますます１に近くなる必要がある。

直径ｄ１およびｄ２のサイジングは、シールのそれぞれに個々に加えられる圧力の差が所与の範囲に、たとえば０.４バール±０.３バール（これはシールにとって好ましい作動範囲である）に制限されるように選択される。

有利なことに、同じ寸法を有するシーリングシステムは８０ｍの深さ、そしてまたオープンエアにおいても満足に機能することは、計算によって確認される。これに関して、本発明のシーリングシステムは、変動する深さにおいて、そして変動する圧力レベルにおいて作動することができる。

図１を参照して先に説明したシーリングシステムにおいては、作動安全性を保証するために、二つのシール６および８が使用される。すなわち、シール８が劣化した場合、少量の流体が失われ、圧力倍増システムの小直径のチャンバーが空になるが、シールは液密状態を維持する。

これに関して、好ましい実施形態では、少なくとも二つのシールが設けられる。

これに代えて、簡素化された実施形態では、単一のリップシールが、本発明に基づくシーリングシステムに設けられる。

図２に示す簡素化された実施形態（ここでは図１の関連参照数字が使用されている）によれば、シーリングシステム２は、シャフト１の半径方向における周囲に配置された単一のリップシール６を備える。圧力倍増システム１６は、それがコンパートメント３に接続されておりかつシール６によって封止されているという唯一の差異を除いて、先に説明した圧力倍増システムと類似している。

その作用は、図１を用いて説明した作用と類似している。圧力Ｐ１が増大するとき、圧力Ｐ２はピストンヘッド２５および２６の直径の関係によって増大させられ、これはコンパートメント３への圧力Ｐ２を増大させる。

ピストンはまた、この例では、常に正でありかつ選択された範囲内にある圧力差ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ３が得られるようなサイズとされる。

図示していないさらに別な代替例によれば、逆に、安全リップシールをさらに付加し、そうしたものとして三つのシールを備えたシステムを形成することが考えられる。

図１の実施形態に関して考えられる改良を図３に示す。この第１の改良された代替例によれば、膨張式シール４０が付加されている。この膨張式シールは、二つのシール６および８がダメージを受けた場合でもコンパートメント３内に収容された流体４の大量の漏れを防止するために、シール６の近傍で、シール６とコンパートメント３との間に配置される。膨張式シール４０は、圧縮空気のリザーブ４４から供給を受けるバルブ４２によって制御される。圧縮空気はたとえば１０バールの圧力を有する。

そうした膨張式シールは、回転機械が停止させられるとき、たとえばその設置の間、あるいは二つのシールへのダメージが観察されたとき、あるいは圧力倍増システムの流体のリザーバが空になったとき、作動状態に置かれる。バルブ４２は、遠隔的に、たとえば海面から制御される。

有利なことには、バルブ４２は、システムに対するダメージが生じた場合でも、シーリングを静的に保証することを可能とする。

図４に示す、改良のための第２の代替例によれば、ポンプ４６（これは水中で接続可能である）が、増幅システムのリザーブ内を流体で満たすために使用される。接続チューブ４８が、チューブ１８の小直径の部分２２と連通状態で設けられる。これに関して、ある運転継続時間の後、デバイスの流体のリザーブが空である場合、表面にメンテナンスを加えるために回転機械を分解することを要さずに、水中で、このリザーブを再補給することが実現される。

本発明に基づくシーリングシステムは、広範囲の圧力変化に関して、シールを提供するために圧力の変化に完全に受動的な様式で適合させられるという利点を有する。

１ シャフト
２ シーリングシステム
３ コンパートメント
４ 流体
６，８ シール
１０ ホルダー
１２ 内部コンパートメント
１４ ジャケット
１６ 圧力倍増システム
１８ 円筒形チューブ
２０，２２ 直径の異なる部分
２４ ピストン
２５，２６ ヘッド
２８，２９ チャンバー
３０ シール
３２ 密閉保護ベローズ
３４ 流体レキュペレーター
３５ ガス
４０ 膨張式シール
４２ バルブ
４４ 圧縮空気のリザーブ
４６ ポンプ
４８ 接続チューブ

Claims (10)

1. 機械の回転あるいは並進運動するシャフト（１）用の圧力補償作用を備えたシーリングシステム（２）であって、第１の流体（４）を含むコンパートメント（３）のシーリングを実現するよう構成されかつ前記シャフト（１）の半径方向における周囲に形成され、前記コンパートメント（３）を隔離するよう構成された少なくとも一つのリップシール（６，８）を具備し、前記リップシール（６，８）は前記シャフト（１）の半径方向における周囲に配置されかつホルダー（１０）によって保持されており、前記シーリングシステム（２）は、
   前記ホルダー（１０）に連結された圧力倍増システム（１６）であって、円筒形チューブ（１８）と、直径が異なる二つのピストンヘッド（２５，２６）を備えたピストン（２４）と、を備え、前記ピストンヘッド（２５，２６）の直径にそれぞれ対応する異なる直径の二つの隔離されたチャンバー（２８，２９）へと前記円筒形チューブを区分することができ、小直径の前記チャンバー（２９）は前記ホルダー（１０）に連結されかつ前記第１の流体と連通状態であり、大直径の前記チャンバー（２８）は第２の流体で少なくとも部分的に満たされている、圧力倍増システム（１６）と、
   流体を回収するためのデバイス（３４）であって、大直径の前記チャンバー（２８）に接続され、ガス（３５）で満たされ、かつ、前記リップシール（６，８）と接触状態の第１の流体（４）への圧力（Ｐ２）が前記リップシール（６，８）に加えられる外部圧力（Ｐ３）よりも大きなものであることを実現するように前記ピストン（２４）の変位の間に前記チャンバー（２８）の前記第２の流体の一部を回収するよう構成された、流体を回収するためのデバイス（３４）と、
   を備えることを特徴とするシーリングシステム。
2. 向かい合ってあるいは背中合わせで配置された二つの前記リップシール（６，８）を備え、かつ、前記圧力倍増システム（１６）は、前記ホルダー（１０）に連結されると共に前記二つのリップシール（６，８）間に形成された内部コンパートメント（１２）と連通状態であることを特徴とする請求項１に記載のシーリングシステム。
3. 隔離させられる前記コンパートメント（３）内の流体（４）の圧力は、隔離させられる前記コンパートメント（３）上に配置された膜あるいはベローズ（３６）を用いて前記コンパートメント（３）の外部の圧力とバランスさせられることを特徴とする請求項２に記載のシーリングシステム。
4. 前記圧力倍増システム（１６）は、さらに、大直径の前記ピストンヘッド（２５）上に配置された密閉保護ベローズ（３２）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
5. 前記大直径と前記小直径との間の関係は１ないし２であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
6. 前記シャフト（１）の半径方向における周囲に配置されたバルブ（４２）によって制御可能な少なくとも一つの膨張式シール（４０）をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
7. 前記第１の流体（４）は潤滑油であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
8. 前記第１の流体（４）と前記第２の流体とは同じものであり、かつ、前記円筒形チューブ（１８）に流体を供給することができる、水中で接続可能なポンプ（４６）をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
9. 前記ピストンヘッド（２５）および（２６）はシール（３０）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のシーリングシステム。
10. 前記リップシール（６，８）は、前記シャフト（１）上に設けられた被覆でコートされたジャケット（１４）上に配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のシーリングシステム。

Images