JP6078558B2

JP6078558B2 - セグメントシール

Info

Publication number: JP6078558B2
Application number: JP2014554188A
Authority: JP
Inventors: 康洋黒木
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-09-19
Also published as: JPWO2014103446A1; US9316316B2; US20150369367A1; WO2014103446A1

Description

本発明は、周方向に複数に分割された構造のカーボン製のシールリングを備えたセグメントシールに関する。

従来、回転軸とハウジングとの間の環状隙間を封止するセグメントシールが知られている。このセグメントシールは、ハウジングに設けられた環状凹部の側壁面に密着し、かつ回転軸の外周面に摺動自在に設けられると共に、周方向に複数に分割された構造のカーボン製のシールリングを備えている。このシールリングを、ハウジングに対して回転しないようにする方法として、シールリングの端面にキー溝を設けておき、キー溝に嵌合させたキーをハウジングに固定させる方法が知られている。

このような方法においては、回転軸の回転や振動等に伴い、キー溝のうち内周面側（回転軸側）で、キーとの摺動により経時的に摩耗が進行し、シールリングが劣化してしまう問題がある。

実開昭６３−１７７３５９号公報特開２００１−２８９３２９号公報

本発明の目的は、キー溝の摩耗の進行を抑制し、シールリングの耐久性の向上を図ったセグメントシールを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明は、回転軸と、該回転軸が挿通される軸孔を有し、かつ内周面側と軸線方向の一方側にそれぞれ開口する環状凹部を有するハウジングとの間の環状隙間を封止するセグメントシールにおいて、
前記環状凹部の側壁面に密着し、かつ前記回転軸の外周面に摺動自在に設けられると共に、周方向に複数に分割された構造のカーボン製のシールリングと、
該シールリングにおける前記軸線方向の一方側に設けられたキー溝に嵌合された状態で前記ハウジングに固定されるキーと、
を備え、
前記キー溝は、軸線方向に見て、径方向に伸びる溝本体部分と、内周面側で該溝本体部分の両側に前記キーから離れるように拡がる一対の逃げ溝部分とを有しており、これら一対の逃げ溝部分のうち前記回転軸の回転方向の上流側の逃げ溝部分は、前記キーの内周面側の先端よりも外周面側に拡がるように設定され、かつ、下流側の逃げ溝部分よりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、キー溝には、一対の逃げ溝部分が設けられていることで、回転軸からの振動が、キー溝とキーとの接触部分に伝わり難くなり、キー溝の摩耗の進行を抑制できる。

また、通常、長期使用によって、キーは、キー溝のうち回転軸の回転方向の上流側の側壁面側にずれていき易い。そのため、キー溝のうち、この上流側の側壁面側において摩耗が進行され易い。これに対して、本発明においては、この上流側の逃げ溝部分は、キーの内周面側の先端よりも外周面側に拡がるように設定されている。これにより、キーの内周面側の先端がキー溝の側壁面に接することを防止でき、キー溝の摩耗の進行を効果的に抑制できる。また、上記の上流側の逃げ溝部分の方が、下流側の逃げ溝部分よりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されている。従って、キー溝の摩耗の進行をより効果的に抑制することができる。なお、一対の逃げ溝部分の両者の寸法を大きくすると、シールリング自体の強度低下を招いてしまう。これに対して、本発明においては、上記の上流側の逃げ溝部分の寸法のみを大きくしているので、強度低下を抑制しつつ、キー溝の摩耗の進行を抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、キー溝の摩耗の進行を抑制し、シールリングの耐久性の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施例に係るシールリングを構成する部品を軸線方向の一方側から見た図である。図２は本発明の実施例に係るシールリングを構成する部品を内周面側から見た図である。図３は本発明の実施例に係るシールリングを構成する部品を軸線方向の他方側から見た図である。図４は本発明の実施例に係るシールリングを構成する部品を２つ組み合わせた状態を示す斜視図である。図５は本発明の実施例に係る支持部材を軸線方向の他方側から見た図である。図６は本発明の実施例に係る支持部材を外周面側から見た図の一部である。図７は本発明の実施例に係る支持部材の断面図である。図８は本発明の実施例に係るセグメントシールの装着状態を示す模式的断面図である。図９は本発明の実施例に係るセグメントシールの装着状態を示す模式的断面図である。図１０は本発明の実施例に係るセグメントシールにおけるキーとキー溝の位置関係を示す図である。図１１は本発明の実施例に係るセグメントシールにおけるキーとキー溝の位置関係を示す図である。図１２は本発明の実施例に係るキーの変形例１を示す図である。図１３は本発明の実施例に係るキーの変形例２を示す図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図１１を参照して、本発明の実施例に係るセグメントシールについて説明する。なお、本実施例に係るセグメントシールは、航空機用のジェットエンジンのシャフトシールとして好適に用いられる他、各種産業機械における回転機器等のシールとして用いることができる。

＜セグメントシール＞
特に、図８及び図９を参照して、本発明の実施例に係るセグメントシール１００の全体的な構成について説明する。図８及び図９はセグメントシール１００の装着状態を示す模式的断面図であり、いずれも軸線を含む断面で切断した断面図である。なお、軸線とは、回転軸２００の他、セグメントシール１００を構成する各種環状の部材の中心軸線である。また、図８は後述するシールリング１０におけるコンプレッションスプリング穴１４が設けられている部位を通る断面図であり、図９はシールリング１０におけるキー溝１５が設けられている部位を通る断面図である。なお、図８中のシールリング１０は図１中のＸＸ断面に相当し、図９中のシールリング１０は図１中のＹＹ断面に相当する。

本実施例に係るセグメントシール１００は、回転軸２００と、この回転軸２００が挿通される軸孔を有するハウジング３００との間の環状隙間を封止する。ハウジング３００は、内周面側と軸線方向の一方側（図８，９中右側）にそれぞれ開口する環状凹部３１０を有している。セグメントシール１００は、この環状凹部３１０内に装着される。

セグメントシール１００は、シールリング１０と、シールリング１０を内周面側に向かって押圧するエキステンションスプリング２０と、シールリング１０を環状凹部３１０の側壁面側（軸線方向の他方側）に向かって押圧するコンプレッションスプリング３０とを備えている。また、セグメントシール１００は、更に、コンプレッションスプリング３０を支持するプレート４０と、シールリング１０がハウジング３００に対して回転しないようにするためのキー５０とを備えている。更に、セグメントシール１００は、これらシールリング１０，エキステンションスプリング２０，コンプレッションスプリング３０，プレート４０、及びキー５０が環状凹部３１０から軸線方向の一方側に抜け落ちてしまうことを防止するスナップリング６０を備えている。

なお、キー５０は、後述のように、プレート４０に対して溶接等により固定されている。このようにプレート４０に対してキー５０が固定されたものを支持部材と称する。

＜シールリング＞
特に、図１〜図４を参照して、本実施例に係るシールリング１０について説明する。図１は本実施例に係るシールリング１０を構成するシールリング部品１０Ａを軸線方向の一方側から見た図である。図２は本実施例に係るシールリング部品１０Ａを内周面側から見た図である。図３は本実施例に係るシールリング部品１０Ａを軸線方向の他方側から見た図である。なお、図２は図１，３においてシールリング部品１０Ａを矢印Ａ方向に見た図である。また、図１は図２においてシールリング部品１０Ａを矢印Ｂ方向に見た図であり、図３は図２においてシールリング部品１０Ａを矢印Ｃ方向に見た図である。図４は本実施例に係るシールリング部品１０Ａを２つ組み合わせた状態を示す斜視図である。

シールリング１０は、カーボン製であり、周方向に複数に分割された構造である。本実施例においては、寸法及び形状が同一の３つのシールリング部品１０Ａを組み合わせることによって、環状のシールリング１０が構成される。シールリング部品１０Ａは一方の端部に嵌合凸部１６が設けられ、他方の端部に嵌合凹部１７が設けられている。そして、隣り合う一方のシールリング部品１０Ａにおける嵌合凸部１６を他方のシールリング部品１０Ａにおける嵌合凹部１７に嵌合させるようにして、３つのシールリング部品１０Ａを組み合わせることで、環状のシールリング１０を得ることができる。

ここで、嵌合凸部１６は、軸線方向に対して傾斜し、かつ径方向に対しても傾斜する傾斜面１６ａを有している。また、嵌合凹部１７も、軸線方向に対して傾斜し、かつ径方向に対しても傾斜する傾斜面１７ａを有している。そして、嵌合凸部１６を嵌合凹部１７に嵌合させた状態では、これらの傾斜面１６ａ，１７ａが摺動自在に面接触した状態となる。これにより、隣り合うシールリング部品１０Ａ同士の間において、軸線方向及び径方向のいずれに対してもシール性が発揮される。

以上のように、３つのシールリング部品１０Ａが組み合わされることで構成される環状のシールリング１０は、その外周面側にエキステンションスプリング２０が装着される溝１１と、軸線方向の他方側に設けられる圧力バランス溝１２と、内周面側に設けられる圧力バランス溝（第１圧力バランス溝１３及び第２圧力バランス溝１３ａ）と、コンプレッションスプリング３０が装着されるコンプレッションスプリング穴１４と、キー溝１５とを備えている。

シールリング１０の軸線方向の他方側に設けられる圧力バランス溝１２は、各シールリング部品１０Ａに対して、それぞれ１か所ずつ周方向の略全域に亘るように設けられている。シールリング１０の内周面側に設けられる圧力バランス溝は、軸線方向に伸びる第１圧力バランス溝１３と周方向に伸びる第２圧力バランス溝１３ａとから構成される。第１圧力バランス溝１３は軸線方向の一方側に開口し、第２圧力バランス溝１３ａに繋がるように構成されている。そして、第１圧力バランス溝１３は、各シールリング部品１０Ａに対して、それぞれ６か所に設けられている。また、第２圧力バランス溝１３ａは、各シールリング部品１０Ａに対して、それぞれ１か所ずつ周方向の略全域に亘るように設けられている。

コンプレッションスプリング穴１４は、各シールリング部品１０Ａに対して、それぞれ３か所に設けられている。キー溝１５は、各シールリング部品１０Ａに対して、それぞれ１か所に設けられている。そして、シールリング１０全体では、コンプレッションスプリング穴１４は合計９か所に設けられており、９個のコンプレッションスプリング３０が装着される。また、シールリング１０全体では、キー溝１５は合計３か所に設けられており、３個のキー５０が嵌合される。

＜支持部材＞
特に、図５〜図７を参照して、本実施例に係る支持部材について説明する。図５は本実施例に係る支持部材を軸線方向の他方側から見た図である。図６は本実施例に係る支持部材を外周面側から見た図の一部であり、図５中矢印Ｄ方向に見た図である。図７は本実施例に係る支持部材の断面図であり、図５中ＺＺ断面図である。

支持部材は、上記の通り、プレート４０に対してキー５０が固定された構成である。プレート４０とキー５０はいずれも金属材料から構成される。プレート４０は、孔の空いた円板状の部材であり、キー５０は、断面が略コ字状の部材である。そして、プレート４０に対して、キー５０が１２０°毎の計３か所に溶接により固定される。

＜セグメントシールの使用状態＞
特に、図８及び図９を参照して、本実施例に係るセグメントシール１００の使用状態について説明する。

上記の通り、セグメントシール１００は、環状凹部３１０内に装着される。ここで、セグメントシール１００の装着手順について簡単に説明する。まず、３つのシールリング部品１０Ａを組み合わせて、環状のシールリング１０を組み立てる。この状態で、シールリング１０に設けられている溝１１にエキステンションスプリング２０を装着する。そして、シールリング１０を環状凹部３１０内に挿入する。そして、シールリング１０に設けられている合計９か所のコンプレッションスプリング穴１４にそれぞれコンプレッションスプリング３０を装着する。次に、３か所のキー５０をシールリング１０に設けられている３か所のキー溝１５にそれぞれ嵌合させるように、支持部材を環状凹部３１０内に装着する。その後、環状凹部３１０の内周面に形成されている環状溝３２０にスナップリング６０を嵌め込む。以上により、セグメントシール１００は、環状凹部３１０内に装着される。その後、回転軸２００を挿入させて、ハウジング３００を各種機器に固定する。

セグメントシール１００が環状凹部３１０内に装着された状態においては、シールリング１０は、９個のコンプレッションスプリング３０によって、環状凹部３１０の側壁面側に向かって押圧される。そのため、シールリング１０は、当該側壁面に対して密着した状態となる。また、プレート４０及びスナップリング６０を介してハウジング３００に固定された３か所のキー５０が、各キー溝１５に嵌合されている。そのため、シールリング１０は廻り止めがなされる。つまり、シールリング１０はハウジング３００に対して回転しない状態となる。これにより、回転軸２００が回転した状態では、シールリング１０はハウジング３００に対して静止した状態を維持しつつ、シールリング１０の内周面と回転軸２００の外周面との間で摺動する。

以上の構成により、シールリング１０と環状凹部３１０の側壁面との間、及びシールリング１０の内周面と回転軸２００の外周面との間でそれぞれシール部が形成される。これにより、セグメントシール１００を介して、図８及び図９中右側の領域に密封される高圧ガスなどの密封対象流体が図中左側の領域に漏れてしまうことを抑制することが可能となる。ここで、密封対象流体は、シールリング１０の軸線方向の他方側に設けられる圧力バランス溝１２、及びシールリング１０の内周面側に設けられる圧力バランス溝（第１圧力バランス溝１３と第２圧力バランス溝１３ａ）内に導かれる。従って、密封対象流体の圧力が高くなっても、シールリング１０における外周面側と内周面側との圧力バランスをとり、かつ軸線方向の両側の圧力バランスをとることができる。これにより、シールリング１０の摺動摩耗を抑制することができ、長寿命化を図ることができる。

＜キー及びキー溝＞
特に、図１０及び図１１を参照して、本実施例に係るセグメントシール１００におけるキー５０とキー溝１５について、より詳細に説明する。図１０及び図１１は本実施例に係るセグメントシール１００において、キー５０がキー溝１５に嵌合された状態におけるキー５０とキー溝１５の位置関係を示す図である。なお、図１０は初期状態を示し、図１１は長期使用後の状態を示している。

図示のように、キー溝１５は、軸線方向に見て、径方向に伸びる溝本体部分１５ａと、内周面側で溝本体部分１５ａの両側にキー５０から離れるように拡がる一対の逃げ溝部分１５ｂ，１５ｃとを有している。そして、これら一対の逃げ溝部分１５ｂ，１５ｃのうち回転軸２００の回転方向Ｒの上流側の逃げ溝部分１５ｃは、キー５０の内周面側の先端５０ａよりも外周面側に拡がるように設定されている。また、この上流側の逃げ溝部分１５ｃは、下流側の逃げ溝部分１５ｂよりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されている。なお、上記回転方向Ｒの下流側の逃げ溝部分１５ｂは、軸線方向に見て、キー５０から離れるように円弧状に拡がる形状である。これに対して、上流側の逃げ溝部分１５ｃは、軸線方向に見て、キー５０から離れるように略矩形（但し、角部は湾曲面（いわゆるＲ面）にて構成されている）に拡がる形状である。

ここで、キー５０がキー溝１５に嵌合された状態においては、キー５０の両側が、部分的に溝本体部分１５ａの両側壁面に接触した状態となり、また、キー５０の両側と溝本体部分１５ａの両側壁面との間には部分的に僅かなクリアランスが形成された状態となる。初期状態においては、キー５０は溝本体部分１５ａの中央に位置している。しかしながら、長期使用によりキー５０と溝本体部分１５ａとの接触部分で摩耗が進行することにより、キー５０はキー溝１５のうち回転軸２００の回転方向Ｒの上流側の側壁面側にずれていき易い。図１１においては、キー５０がキー溝１５のうち回転軸２００の回転方向Ｒの上流側の側壁面側にずれた状態を示している。

＜本実施例に係るセグメントシールの優れた点＞
以上説明したように、本実施例に係るセグメントシール１００においては、シールリング１０に設けられたキー溝１５には、一対の逃げ溝部分１５ｂ，１５ｃが設けられている。これにより、回転軸２００からの振動が、キー溝１５とキー５０との接触部分に伝わり難くなり、キー溝１５の摩耗の進行を抑制できる。また、逃げ溝部分を設けずに直線的な溝だけで構成した場合に比して、回転軸２００から受ける力を分散でき、応力の集中を緩和できる。そのため、キー溝１５の摩耗の進行が抑制される。

また、上記のように、長期使用によって、キー５０は、キー溝１５のうち回転軸２００の回転方向Ｒの上流側の側壁面側にずれていき易い。そのため、何ら対策を講じていない場合には、キー溝１５のうち、この上流側の側壁面側において摩耗が進行され易い。しかしながら、本実施例に係るセグメントシール１００においては、この上流側の逃げ溝部分１５ｃは、キー５０の内周面側の先端５０ａよりも外周面側に拡がるように設定されている。これにより、キー５０の内周面側の先端５０ａがキー溝１５（溝本体部分１５ａ）の側壁面に接することを防止でき、キー溝１５の摩耗の進行を効果的に抑制できる。

また、本実施例においては、この上流側の逃げ溝部分１５ｃは、下流側の逃げ溝部分１５ｂよりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されている。つまり、摩耗が進行され易い側である逃げ溝部分１５ｃの寸法が大きく設定されている。従って、キー溝１５の摩耗の進行をより効果的に抑制することができる。なお、一対の逃げ溝部分１５ｂ，１５ｃの両者の寸法を大きくすると、シールリング１０自体の強度低下を招いてしまう。これに対して、本実施例においては、上流側の逃げ溝部分１５ｃの寸法のみを大きくしているので、強度低下を抑制しつつ、キー溝１５の摩耗の進行を抑制することができる。

更に、本実施例においては、上流側の逃げ溝部分１５ｃは、軸線方向に見て、キー５０から離れるように略矩形状に拡がるように構成されている。これにより、円弧状に拡がるように構成される場合に比べて、逃げ溝部分１５ｃ全体の広さを広くすることができる。ただし、上流側の逃げ溝部分１５ｃの形状に関しては、これに限られるものではなく、使用環境に応じて各種の形状を採用し得る。従って、上流側の逃げ溝部分１５ｃについても、下流側の逃げ溝部分１５ｂと同様に、軸線方向に見て、キー５０から離れるように円弧状に拡がる形状としてもよい。

（その他）
上記実施例においては、シールリング１０が周方向に３分割された構造の場合を示したが、本発明が適用可能なシールリングについては、分割される個数は限定されるものではない。また、本発明が適用可能なシールリングについては、キー及びキー溝の個数についても限定されるものではない。また、上記実施例では、回転軸が単体で構成される場合を示したが、本発明は、回転軸が、軸本体と、軸本体を保護するために軸本体の外周に装着されるランナー（環状部材）とにより構成される場合にも適用可能である。この場合、シールリング１０はランナーの外周面に対して摺動自在に設けられる。また、上記実施例では、支持部材が、プレート４０とキー５０とを溶接等により固定された場合の構成を示したが、本発明は、支持部材がプレートとキーの一体構造で構成される場合にも適用可能である。

また、上記実施例においては、キー５０は、断面が略コ字状の部材で構成される場合を示したが、本発明において適用可能なキーの構造については上記実施例で示したものに限定されるものではない。例えば、図１２に示すキー５１のように、断面が略矩形のブロック状の部材を用いてもよい。キー溝１５への嵌め込み易さや溶接のし易さの点では、上記キー５０の方が優れているが、強度を高くしたい場合には、図１２に示すキー５１を採用すればよい。なお、図１２は上記実施例で示した図６（図５中矢印Ｄ方向に見た図）に相当する。また、図１３に示すキー５２のように、キー５２の両側壁面にキー溝１５の側壁面に当接する複数の円弧状の突起５２ａを設ける構成を採用してもよい。このような構成を採用すれば、キー５２が回転軸２００の振動に追随し易くなるため、シール性が高まり、また、キー５２の先端エッジ部がキー溝１５に当り難いという利点がある。なお、図１３は上記実施例で示した図１０に相当する。

１０シールリング
１０Ａシールリング部品
１１溝
１２圧力バランス溝
１３第１圧力バランス溝
１３ａ第２圧力バランス溝
１４コンプレッションスプリング穴
１５キー溝
１５ａ溝本体部分
１５ｂ，１５ｃ逃げ溝部分
１６嵌合凸部
１６ａ傾斜面
１７嵌合凹部
１７ａ傾斜面
２０エキステンションスプリング
３０コンプレッションスプリング
４０プレート
５０キー
５０ａ先端
６０スナップリング
１００セグメントシール
２００回転軸
３００ハウジング
３１０環状凹部
３２０環状溝

Claims

回転軸と、該回転軸が挿通される軸孔を有し、かつ内周面側と軸線方向の一方側にそれぞれ開口する環状凹部を有するハウジングとの間の環状隙間を封止するセグメントシールにおいて、
前記環状凹部の側壁面に密着し、かつ前記回転軸の外周面に摺動自在に設けられると共に、周方向に複数に分割された構造のカーボン製のシールリングと、
該シールリングにおける前記軸線方向の一方側に設けられたキー溝に嵌合された状態で前記ハウジングに固定されるキーと、
を備え、
前記キー溝は、軸線方向に見て、径方向に伸びる溝本体部分と、内周面側で該溝本体部分の両側に前記キーから離れるように拡がる一対の逃げ溝部分とを有しており、これら一対の逃げ溝部分のうち前記回転軸の回転方向の上流側の逃げ溝部分は、前記キーの内周面側の先端よりも外周面側に拡がるように設定され、かつ、下流側の逃げ溝部分よりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されていることを特徴とするセグメントシール。