JP6104820B2 - 高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステム - Google Patents
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Description
本発明は、例えば火力発電所のボイラー給水ポンプやコンデンセートポンプなどの熱水ポンプおよび熱油ポンプ等に使用される密封対象液が高温である軸封装置に関し、特に、故障予知可能なメカニカルシールシステムに関する。
メカニカルシールの運転時における特性の変化、例えば、摺動部の温度変化をリアルタイムで検出する装置としては、従来、例えば図３に示されるようなものが知られている（以下、「従来技術１」という。例えば、特許文献１、２、３及び４参照。）。
図３に示される従来技術１によるメカニカルシールの温度検出装置は、接触式のメカニカルシールとしてインサイド形（摺動面の外周から内周方向向かって漏れようとする流体をシールする形式）の形態を備えており、機内側のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸７０側にパッキン７１を介してこの回転軸７０と一体的に回転可能な状態に設けられた回転側密封要素７２と、ポンプのハウジング７３に固定されたシールカバー７４に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた静止側密封要素７５が、この静止側密封要素７５を軸方向に付勢するスプリング（図示省略）によって、互いの対向端面同士で密接摺動するようになっている。すなわち、この接触式メカニカルシールは、回転側密封要素７２と静止側密封要素７５の互いの摺動部Ｓにおいて、機内側（ポンプ内）の高温・高圧の液体が回転軸７０の外周から機外側へ流出するのを防止するものである。そして、摺動部Ｓの温度変化をリアルタイムで検出するため、静止側密封要素７５の摺動部Ｓの近傍に熱電対７６が埋設され、摺動部Ｓの温度変化を検出するようになっている。
ところが、この種のインサイド形の接触式メカニカルシールは、ボイラー給水ポンプやコンデンセートポンプなどの熱水ポンプおよび熱油ポンプ等の軸封手段として使用された場合、密封対象液が高温・高圧であるため、圧力による構成部品の変形を来したり、また、摺動部Ｓにおいて発生する熱や、高温の密封対象液によって、構成部品が熱変形や材質の劣化を来し、密封性能が不安定になるおそれがある。そこで従来は、図４に示すように、機内側から流入してメカニカルシールの外周側の空間５７に充満している密封対象液の一部が、スリーブ５１に形成されて回転軸５０と一体的に回転するパーシャルインペラ５８によって、シールカバー５４のシール流体出口５９からフラッシング配管６０を介してクーラー６１に送られ、ここで冷却されてから、フラッシング配管６２及びシールカバー５４のシール流体入口６３を介して前記空間５７へ還流され、このような密封対象液の循環によって、メカニカルシールが冷却されるように構成される（以下、「従来技術２」という。たとえば、特許文献５参照。）。
一方、本出願人は、密封対象液が高温であるメカニカルシールにおいて、ノーフラッシングかつノークーラーのメカニカルシールを提供することを目的として、密封要素をスタフィングボックスの外に配置し、スタフィングボックス内に冷却手段を設ける構造のものを提案している（以下、「従来技術３」という。特許文献６参照。）。
しかしながら、図４に示す従来技術２の密封対象液が高温・高圧であるメカニカルシールに、図３に示す従来技術１の温度検出装置を装着した場合、以下の問題点があった。
（１）回転側密封要素と静止側密封要素の摺動部の温度は、密封対象液の温度、フラッシングによる冷却効果、及び摺動部の摩擦による発熱の総合されたものであり、単に摺動部の温度を検出しても、メカニカルシールの摺動部の異常を判断することができない。すなわち、摺動部の温度が高い場合であっても、密封対象液の温度上昇あるいはフラッシングによる冷却効果の低下による場合があり、逆に、摺動部の温度が低い場合であっても、密封対象液の温度低下あるいはフラッシングによる冷却効果の増大による場合があり、摺動部の異常と一概に断定できない。
（２）密封対象液の温度変化及びフラッシングによる冷却効果の変動の影響を少なくするため、回転側密封要素及び静止側密封要素と回転軸外周面との間の隙間に温度検出装置を挿入することも考えられるが、回転側密封要素及び静止側密封要素の作動性を阻害せず温度検出装置を装着することは難しく、仮に、温度検出装置が装着できたとしても、回転軸の回転風損発熱の影響を受けるため、摺動部の発熱による温度変化を検出することは難しい。
（１）回転側密封要素と静止側密封要素の摺動部の温度は、密封対象液の温度、フラッシングによる冷却効果、及び摺動部の摩擦による発熱の総合されたものであり、単に摺動部の温度を検出しても、メカニカルシールの摺動部の異常を判断することができない。すなわち、摺動部の温度が高い場合であっても、密封対象液の温度上昇あるいはフラッシングによる冷却効果の低下による場合があり、逆に、摺動部の温度が低い場合であっても、密封対象液の温度低下あるいはフラッシングによる冷却効果の増大による場合があり、摺動部の異常と一概に断定できない。
（２）密封対象液の温度変化及びフラッシングによる冷却効果の変動の影響を少なくするため、回転側密封要素及び静止側密封要素と回転軸外周面との間の隙間に温度検出装置を挿入することも考えられるが、回転側密封要素及び静止側密封要素の作動性を阻害せず温度検出装置を装着することは難しく、仮に、温度検出装置が装着できたとしても、回転軸の回転風損発熱の影響を受けるため、摺動部の発熱による温度変化を検出することは難しい。
また、従来技術３のメカニカルシールは、ノーフラッシングかつノークーラーのメカニカルシールを提供するにとどまり、密封要素の摺動部の異常を検出して故障を予知することなどは全く想定されておらず、そのため、摺動部の異常を判断するための技術知見については開示も示唆もされていないものであった。
本発明は、例えば火力発電所のボイラー給水ポンプやコンデンセートポンプなどの熱水ポンプおよび熱油ポンプ等に使用される密封対象液が高温であるメカニカルシールにおいて、回転側密封要素と静止側密封要素の摺動部の周囲の影響を受けることなく回転側密封要素と静止側密封要素の摺動面の異常を検出することができる故障予知型メカニカルシールシステムを提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するため本発明の高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステムは、第１に、ハウジングと回転軸との間に形成した軸封部に装着されて、前記ハウジングと前記回転軸との間をシールする回転側密封要素および静止側密封要素を備えたメカニカルシールにおいて、
前記メカニカルシールは前記回転側密封要素と前記静止側密封要素との摺動面の内周から外周方向へ向かって漏れようとする高温の被密封流体をシールするアウトサイド形であって、
前記回転側密封要素および前記静止側密封要素はスタフィングボックスの外に配置され、
前記高温の被密封流体の前記摺動面への循環を防止するように前記ハウジング内周と前記回転軸外周との間に冷却ジャケットが設けられ、
前記摺動面の温度及び前記摺動面の内周の被密封流体の温度を検出する温度検出手段が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、ノーフラッシングかつノークーラーでもって高温密封流体をシールするメカニカルシールの特性を利用して、回転側密封要素と静止側密封要素の摺動部の周囲の影響を受けることなく回転側密封要素と静止側密封要素の摺動面の異常及び冷却ジャケットの異常などメカニカルシールの異常を検出することができる故障予知型メカニカルシールシステムを提供することができる。
前記メカニカルシールは前記回転側密封要素と前記静止側密封要素との摺動面の内周から外周方向へ向かって漏れようとする高温の被密封流体をシールするアウトサイド形であって、
前記回転側密封要素および前記静止側密封要素はスタフィングボックスの外に配置され、
前記高温の被密封流体の前記摺動面への循環を防止するように前記ハウジング内周と前記回転軸外周との間に冷却ジャケットが設けられ、
前記摺動面の温度及び前記摺動面の内周の被密封流体の温度を検出する温度検出手段が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、ノーフラッシングかつノークーラーでもって高温密封流体をシールするメカニカルシールの特性を利用して、回転側密封要素と静止側密封要素の摺動部の周囲の影響を受けることなく回転側密封要素と静止側密封要素の摺動面の異常及び冷却ジャケットの異常などメカニカルシールの異常を検出することができる故障予知型メカニカルシールシステムを提供することができる。
また、本発明の高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステムは、第２に、第１の特徴において、前記温度検出手段は、前記静止側密封要素の前記摺動面の近傍に装着された熱電対、該熱電対から機外側に導出されたリード線及び温度指示計を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、回転側密封要素と静止側密封要素の摺動面の温度及び摺動面の内周の被密封流体の温度を確実に検出することができる。
この特徴によれば、回転側密封要素と静止側密封要素の摺動面の温度及び摺動面の内周の被密封流体の温度を確実に検出することができる。
また、本発明の高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステムは、第３に、第１または第２の特徴において、前記冷却ジャケットより機外側に配置された前記回転側密封要素及び前記静止側密封要素において機内側に前記静止側密封要素が、機外側に前記回転側密封要素が配置され、前記静止側密封要素の外周側の大部分が機外側雰囲気に面すると共に、その内周と回転軸外周との隙間γは被密封流体が流動し易いように前記回転軸外周と前記冷却ジャケット内周との隙間βより大きく設定され、前記回転側密封要素及びカラー等からなる回転側は機外側雰囲気中で回転するように配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、通常状態における回転側密封要素と静止側密封要素との摺動面の温度は摺動面の内周の被密封流体の温度とほぼ等しく、安定してものとなり、摺動面の温度を検出することにより摺動面の内周の被密封流体の温度も検出することができる。
この特徴によれば、通常状態における回転側密封要素と静止側密封要素との摺動面の温度は摺動面の内周の被密封流体の温度とほぼ等しく、安定してものとなり、摺動面の温度を検出することにより摺動面の内周の被密封流体の温度も検出することができる。
また、本発明のメカニカルシールは、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記冷却ジャケットは、前記スタフィングボックスに設けられた冷却水給排水孔と連通する冷却水収容空間を中央部に有し、両側外周にそれぞれＯリングを介して前記ハウジング内周に密封的に装着され、前記冷却ジャケット外周と前記ハウジング内周との隙間αを前記回転軸外周と前記冷却ジャケット内周との隙間βより大きく設定することを特徴としている。
この特徴によれば、回転軸外周と冷却ジャケット内周との隙間を極小に絞り、この隙間に介在するシール流体の体積を極小にすることで、冷却ジャケットによる冷却効果を最大化することができる。また、万一、回転軸が振れて回転軸外周が冷却ジャケット内周に接触しても、Ｏリングの弾性による緩衝作用で衝撃を吸収するので、接触面圧を小さくでき、接触摺動によるかじりや両者の摩耗を防止でき、長期間にわたり、初期の隙間を保持し、冷却ジャケットの冷却効果を大きくすることができる。
この特徴によれば、回転軸外周と冷却ジャケット内周との隙間を極小に絞り、この隙間に介在するシール流体の体積を極小にすることで、冷却ジャケットによる冷却効果を最大化することができる。また、万一、回転軸が振れて回転軸外周が冷却ジャケット内周に接触しても、Ｏリングの弾性による緩衝作用で衝撃を吸収するので、接触面圧を小さくでき、接触摺動によるかじりや両者の摩耗を防止でき、長期間にわたり、初期の隙間を保持し、冷却ジャケットの冷却効果を大きくすることができる。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）ハウジングと回転軸との間に形成した軸封部に装着されて、前記ハウジングと前記回転軸との間をシールする回転側密封要素および静止側密封要素を備えたメカニカルシールにおいて、前記メカニカルシールは前記回転側密封要素と前記静止側密封要素との摺動面の内周から外周方向へ向かって漏れようとする高温の被密封流体をシールするアウトサイド形であって、前記回転側密封要素および前記静止側密封要素はスタフィングボックスの外に配置され、前記高温の被密封流体の前記摺動面への循環を防止するように前記ハウジング内周と前記回転軸外周との間に冷却ジャケットが設けられ、前記摺動面の温度及び前記摺動面の内周の被密封流体の温度を検出する温度検出手段が設けられることにより、ノーフラッシングかつノークーラーでもって高温密封流体をシールするメカニカルシールの特性を利用して、回転側密封要素と静止側密封要素の摺動部の周囲の影響を受けることなく回転側密封要素と静止側密封要素の摺動面の異常及び冷却ジャケットの異常などメカニカルシールの異常を検出することができる故障予知型メカニカルシールシステムを提供することができる。
（１）ハウジングと回転軸との間に形成した軸封部に装着されて、前記ハウジングと前記回転軸との間をシールする回転側密封要素および静止側密封要素を備えたメカニカルシールにおいて、前記メカニカルシールは前記回転側密封要素と前記静止側密封要素との摺動面の内周から外周方向へ向かって漏れようとする高温の被密封流体をシールするアウトサイド形であって、前記回転側密封要素および前記静止側密封要素はスタフィングボックスの外に配置され、前記高温の被密封流体の前記摺動面への循環を防止するように前記ハウジング内周と前記回転軸外周との間に冷却ジャケットが設けられ、前記摺動面の温度及び前記摺動面の内周の被密封流体の温度を検出する温度検出手段が設けられることにより、ノーフラッシングかつノークーラーでもって高温密封流体をシールするメカニカルシールの特性を利用して、回転側密封要素と静止側密封要素の摺動部の周囲の影響を受けることなく回転側密封要素と静止側密封要素の摺動面の異常及び冷却ジャケットの異常などメカニカルシールの異常を検出することができる故障予知型メカニカルシールシステムを提供することができる。
（２）前記温度検出手段は、前記静止側密封要素の前記摺動面の近傍に装着された熱電対、該熱電対から機外側に導出されたリード線及び温度指示計を備えることにより、回転側密封要素と静止側密封要素の摺動面の温度及び摺動面の内周の被密封流体の温度を確実に検出することができる。
（３）前記冷却ジャケットより機外側に配置された前記回転側密封要素及び前記静止側密封要素において機内側に前記静止側密封要素が、機外側に前記回転側密封要素が配置され、前記静止側密封要素の外周側の大部分が機外側雰囲気に面すると共に、その内周と回転軸外周との隙間γは被密封流体が流動し易いように前記回転軸外周と前記冷却ジャケット内周との隙間βより大きく設定され、前記回転側密封要素及びカラー等からなる回転側は機外側雰囲気中で回転するように配置されていることにより、通常状態における回転側密封要素と静止側密封要素との摺動面の温度は摺動面の内周の被密封流体の温度とほぼ等しく、安定してものとなり、摺動面の温度を検出することにより摺動面の内周の被密封流体の温度も検出することができる。
（４）該冷却ジャケットは、スタフィングボックスに設けられた冷却水給排水孔と連通する冷却水収容空間を中央部に有し、両側外周にそれぞれＯリングを介してハウジング内周に密封的に装着されており、冷却ジャケット外周とハウジング内周との隙間を回転軸外周と冷却ジャケット内周との隙間より大きく設定することにより、回転軸外周と冷却ジャケット内周との隙間を極小に絞り、この隙間に介在するシール流体の体積を極小にすることで、冷却ジャケットによる冷却効果を最大化することができる。また、万一、回転軸が振れて回転軸外周が冷却ジャケット内周に接触しても、Ｏリングの弾性による緩衝作用で衝撃を吸収するので、接触面圧を小さくでき、接触摺動によるかじりや両者の摩耗を防止でき、長期間にわたり、初期の隙間を保持し、冷却ジャケットの冷却効果を大きくすることができる。
本発明に係る高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステムを実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
本発明の実施の形態に係る高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステムを図１及び図２を参照しながら説明する。
メカニカルシール１は、火力発電所のボイラー給水ポンプやコンデンセートポンプなどの熱水ポンプおよび熱油ポンプ等の２００℃を越えるような高温液を扱うポンプ等における軸封部のハウジング２と該ハウジング２の軸嵌装孔１０に嵌装される回転軸３の間をシールするためのものであり、メカニカルシール１はハウジング２と回転軸３間にカートリッジ型に装着される。
図１において、左側が機内側、右側が機外側（大気側）である。
図１において、左側が機内側、右側が機外側（大気側）である。
ハウジング２の軸嵌装孔１０には回転軸３が貫通して設けられている。ハウジング２の軸嵌装孔１０の周りの機外側の側面４にはシールカバー５がボルト６等の固定手段により装着されており、該シールカバー５の内側と回転軸３の外側の空間にメカニカルシール１を構成する静止側密封要素（以下、「シールリング」という。）７および回転側密封要素（以下、「メイティングリング」という。）８が配置されるようになっている。
また、ハウジング２の軸嵌装孔１０の機外側寄りには拡径された形状のスタフイングボックス９が形成されており、該スタフイングボックス９内に後記する冷却ジャケット１１が配置される。このように、メイティングリング８およびシールリング７はスタフィングボックス９の外、すなわち、機外側に位置して設けられる。このため、冷却ジャケット１１の容量を十分に大きくすることができ、また、メイティングリング８とシールリング７との摺動面が大気側に位置するすることになり、摺動発熱がこもることがない。
また、ハウジング２の軸嵌装孔１０の機外側寄りには拡径された形状のスタフイングボックス９が形成されており、該スタフイングボックス９内に後記する冷却ジャケット１１が配置される。このように、メイティングリング８およびシールリング７はスタフィングボックス９の外、すなわち、機外側に位置して設けられる。このため、冷却ジャケット１１の容量を十分に大きくすることができ、また、メイティングリング８とシールリング７との摺動面が大気側に位置するすることになり、摺動発熱がこもることがない。
メカニカルシール１は、シールリング７とメイティングリング８との摺動面Ｓの内周から外周方向へ向かって漏れようとする被密封流体１２をシールするところのアウトサイド形に形成される。
シールカバー５は回転軸３を包囲するように環状をしており、その内部には軸方向の孔が形成される。このシールカバー５の孔を形成する内周面は、図２に示すように、機内側から機外側に向かって順に嵌合面５Ｃと空間部（以下、「環状溝」という。）５Ｇと絞り面５Ｆとを形成する。このうち、環状溝５Ｇは嵌合面５Ｃと絞り面５Ｆとの間で嵌合面５Ｃの外径より大径に形成する。また、環状溝５Ｇの内周にシールリング７とメイティングリング８の大部分が内在するように環状溝５Ｇの軸方向の幅寸法を大きく形成する。さらに、絞り面５Ｆは、環状溝５Ｇの軸方向の幅を大きくするために、シールカバー５の前面（機外側寄り）の内周に形成される。
また、シールカバー５の前面には、孔を囲んで位置決め部５Ｔを設ける。この位置決め部５Ｔは外周に位置決め溝５Ｂを設けるために軸方向端部を凸に形成する。
シールカバー５は回転軸３を包囲するように環状をしており、その内部には軸方向の孔が形成される。このシールカバー５の孔を形成する内周面は、図２に示すように、機内側から機外側に向かって順に嵌合面５Ｃと空間部（以下、「環状溝」という。）５Ｇと絞り面５Ｆとを形成する。このうち、環状溝５Ｇは嵌合面５Ｃと絞り面５Ｆとの間で嵌合面５Ｃの外径より大径に形成する。また、環状溝５Ｇの内周にシールリング７とメイティングリング８の大部分が内在するように環状溝５Ｇの軸方向の幅寸法を大きく形成する。さらに、絞り面５Ｆは、環状溝５Ｇの軸方向の幅を大きくするために、シールカバー５の前面（機外側寄り）の内周に形成される。
また、シールカバー５の前面には、孔を囲んで位置決め部５Ｔを設ける。この位置決め部５Ｔは外周に位置決め溝５Ｂを設けるために軸方向端部を凸に形成する。
シールカバー５の嵌合面５Ｃには、シールリング７の移動面７Ｄが軸方向へ移動自在に嵌合する。シールリング７の移動面７Ｄには、嵌合面５Ｃとの間をシールするＯリング用の第１シール溝７Ｂを形成する。この第１シール溝７Ｂは、たとえば、付着物を洗浄しやすくするために機内側が嵌合面５Ｃに対し間隔を大きく形成している。そして、この第１シール溝７Ｂには、Ｏリング１３Ａを取り付ける。このＯリング１３Ａの材質は、フッ素ゴム、ニトリルゴム、Ｈ−ＮＢＲ、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマなどである。
さらに、シールリング７は、第１シール溝７Ｂと反対側の端面に摺動シール面７Ａを形成する。また、シールリング７の外周側はフランジ７Ｆを形成する。そして、このフランジ７Ｆには案内溝７Ｇを形成する。また、シールカバー５の環状溝５Ｇの側面に設けた嵌着穴に固定ピン１４を圧入して取り付けている。この固定ピン１４に対して案内溝７Ｇを移動自在に嵌合し、この固定ピン１４によりシールリング７は軸方向へは移動するが、回転方向へは係止されている。また、このフランジ７Ｆと対向するシールカバー５には、図１に示すように、周方向へ複数個配置した穴状のばね座５Ｈを設ける。そして、周面に沿って等配に設けたコイルスプリング１５がばね座５Ｈに着座してシールリング７を弾発的に押圧している。
シールリング７は、シールリング７の摺動シール面７Ａの軸方向の投影面積Ａ１とシールリング７に対して軸方向の移動力として働く被密封流体圧力を受ける軸方向の投影面積Ａ２とのバランス比Ａ２／Ａ１が１以下に設定されたバランス形に形成され、シール流体圧による摺動面Ｓへの負荷を低減させる形式となっている。
シールリング７は、特殊転換法（カーボン表面を部分的にＳｉＣ化し、表面強度を補強し、ＳｉＣの耐摩耗性とカーボンの自己潤滑性の両方を兼ね備えるようにすること）によるＳｉＣから製作されている。また、ダイヤモンドコーティングしたＳｉＣにより製作されてもよい。
シールリング７は、特殊転換法（カーボン表面を部分的にＳｉＣ化し、表面強度を補強し、ＳｉＣの耐摩耗性とカーボンの自己潤滑性の両方を兼ね備えるようにすること）によるＳｉＣから製作されている。また、ダイヤモンドコーティングしたＳｉＣにより製作されてもよい。
一方、カラー２０は、内周に嵌着周面２０Ｃと第２シール溝２０Ｂを設けている。この嵌着周面２０Ｃが回転軸３の外周面３Ａと嵌着すると共に、第２シール溝２０Ｂに装着されたＯリング１３Ｃにより両部品の嵌着面間をシールする。また、カラー２０に螺合したセットスクリュー２１の先端部を回転軸３の外周面３Ａに止めてカラー２０を回転軸３に固定する。そして、カラー２０におけるメイティングリング８の内側にある外周を結合面２０Ｄに形成する。また、結合面２０Ｄより外周側に設けた環状の段付面には保持面２０Ｓを設ける。さらに、カラー２０の保持面２０Ｓに設けた嵌着穴にドライブピン２２を圧入して取り付ける。このように、軸外周にスリーブを設ける必要がないので、スリーブの肉厚分だけシールサイズを小さくすることができ、摺動面周速が小さなり、摺動面負荷を小さくできる。
また、メイティングリング８の一端には、図２に示すように、摺動シール面８Ａを形成する。この摺動シール面８Ａは、シールリング７の摺動シール面７Ａと密接しながら摺動できるように形成する。さらに、メイティングリング８の内周面８Ｃにシール用の段付面８Ｂを形成する。この段付面８ＢにＯリング１３Ｂを取り付けてメイティングリング８の内周面８Ｃとカラー２０の結合面２０Ｄとの嵌着面間をシールする。また、メイティングリング８の機外側の端の接合面８Ｅには、ピン用凹部８Ｇを形成する。このピン用凹部８Ｇにカラー２０の嵌着穴にねじ込まれたドライブピン２２を挿入し、メイティングリング８とカラー２０の両部品が周方向に対して移動しないように互いに係止させる。そして、ドライブピン２２によりカラー２０の回転力をメイティングリング８に伝達する。このように、メイティングリング８およびカラー２０等からなる回転側は機外側雰囲気中で回転するように配置されている。このため、回転側が大気により強制空冷される。さらに、被密封流体と接する回転側の部分は、メイティングリング８とカラー２０のシール流体側端面のみであるので、高温の被密封流体との接触面積が少なく、高速回転における回転摩擦による発熱が少ない。
また、メイティングリング８は、特殊転換法によるＳｉＣ、または他の製法によるＳｉＣや超硬合金などのセラミックスなどの材質から製作される。また、ダイヤモンドコーティングしたＳｉＣにより製作されてもよい。
シールリング７あるいはメイティングリング８の少なくとも一方の部材を特殊転換法によるＳｉＣとして潤滑性と耐摩耗性を持たせておくことにより、長期間の運転での摺動面状態の変化を防止している。
また、メイティングリング８は、特殊転換法によるＳｉＣ、または他の製法によるＳｉＣや超硬合金などのセラミックスなどの材質から製作される。また、ダイヤモンドコーティングしたＳｉＣにより製作されてもよい。
シールリング７あるいはメイティングリング８の少なくとも一方の部材を特殊転換法によるＳｉＣとして潤滑性と耐摩耗性を持たせておくことにより、長期間の運転での摺動面状態の変化を防止している。
回転軸３の直径が１００ｍｍ以下の範囲においては、メイティングリング８とシールリング７との摺動面Ｓの幅を１．５ｍｍ以下とし、バランス比Ａ２／Ａ１を０．７以下に設定するのがよい。
また、回転軸３の直径が１００ｍｍを越え２００ｍｍ以下の範囲においては、メイティングリング８とシールリング７との摺動面Ｓの幅を２．０ｍｍ以下とし、バランス比Ａ２／Ａ１を０．７以下に設定するのがよい。このため、液圧作用面積が最小限に抑えられ、流体圧力による押付力が最小限となるので発熱も最小限に抑えられた低発熱設計となっている。
さらに、回転軸３の直径が上記の何れの場合でも、シールリング７の内周と回転軸外周３Ａとの隙間を２．５ｍｍ以上とするのが望ましい。このように、シールリング７の内周と回転軸外周３Ａとの隙間を大きくとり、後記する冷却ジャケットで冷却された冷温の被密封流体が流動するようにすることで、摺動発熱による摺動面近傍の蓄熱を防止し、温度上昇を最小限に抑えることができる。
また、回転軸３の直径が１００ｍｍを越え２００ｍｍ以下の範囲においては、メイティングリング８とシールリング７との摺動面Ｓの幅を２．０ｍｍ以下とし、バランス比Ａ２／Ａ１を０．７以下に設定するのがよい。このため、液圧作用面積が最小限に抑えられ、流体圧力による押付力が最小限となるので発熱も最小限に抑えられた低発熱設計となっている。
さらに、回転軸３の直径が上記の何れの場合でも、シールリング７の内周と回転軸外周３Ａとの隙間を２．５ｍｍ以上とするのが望ましい。このように、シールリング７の内周と回転軸外周３Ａとの隙間を大きくとり、後記する冷却ジャケットで冷却された冷温の被密封流体が流動するようにすることで、摺動発熱による摺動面近傍の蓄熱を防止し、温度上昇を最小限に抑えることができる。
シールカバー５には、ハウジング２との間にガスケット２４を設け、ハウジング２とシールカバー５の間をシールしている。このガスケット２４は、ゴム、樹脂又はゴムをコーティングした金属などの材質から製作されている。
さらに、シールカバー５の環状溝５Ｇは、シールリング７とメイティングリング８の大部分を覆うように軸方向に大きな寸法に形成すると良い。この環状溝５Ｇの機内側の側面は、シールリング７の第１シール溝７Ｂの近くまで近接するように形成している。さらに、環状溝５Ｇのメイティングリング８の側面は、メイティングリング８の中間まで達している。また、環状溝５Ｇの外周面の径も大きく形成すると良い。
図１に示すように、シールカバー５とカラー２０は、カラー２０にボルト２６を介して取り付けられたセットプレート２５の凸部２７をシールカバー５の位置決め溝５Ｂに嵌め込んで位置決めと同時に組み立てられる。そして、メイティングリング８が位置決めされたらセットスクリュー２１を回転軸３へ螺合して止め、カラー２０を回転軸３に固定する。
なお、セットプレート２５は、図１に示すような断面形状に形成されており、カラー２０の周面に３等配に配置されて取付けられる。このセットプレート２５は組立後に取り外すと良い。
なお、セットプレート２５は、図１に示すような断面形状に形成されており、カラー２０の周面に３等配に配置されて取付けられる。このセットプレート２５は組立後に取り外すと良い。
他方、ハウジング２の軸嵌装孔１０の機外側寄りに形成されたスタフィングボックス９内には、ハウジング２内周と回転軸３外周との間にリング状の冷却ジャケット１１が設けられている。該冷却ジャケット１１は、スタフィングボックス９の円周方向位置の真下に設けられた冷却水給水孔２８および真上に設けられた冷却水排水孔２９と連通する冷却水収容空間３０を中央部に有し、両側外周にそれぞれＯリング３１、３１を装着するＯリング溝３２、３２が設けられている。Ｏリング３１の厚みはＯリング溝３２の深さよりも大きく設定されている。また、冷却ジャケット１１の冷却水収容空間３０の回転軸外周側寄りの内部に複数のフィン３３が設けられている。
冷却ジャケット１１は、ハウジング２内周にＯリング３１を介して密封的に装着されるが、冷却ジャケット１１外周とハウジング２内周との間に隙間αを有するようにして装着される。冷却ジャケット１１外周とハウジング２内周との間に隙間αは、回転軸３外周と冷却ジャケット１１内周との隙間βより大きく設定される。回転軸３外周と冷却ジャケット１１内周との隙間βは０．１〜０．２ｍｍに設定されている。
上記のように、スタフィングボックス９内に冷却ジャケット１１を設け、回転軸３外周と冷却ジャケット１１内周との隙間を極小に絞り、この隙間に介在する高温の被密封流体の体積を極小にすることで、冷却ジャケット１１による冷却効果を最大化することができる。また、シールリング７とメイティングリング８の摺動面の側に高温の被密封流体が循環するのが防止され、摺動面の周囲の被密封流体の温度が低温で一定したものされ、摺動面に対する熱的影響を最小にしている。さらに、冷却ジャケット１１外周とハウジング２内周との間に隙間αは、回転軸３外周と冷却ジャケット１１内周との隙間βより大きく設定することにより、万一、回転軸３が振れて回転軸外周３Ａが冷却ジャケット１１内周に接触しても、Ｏリングの弾性による緩衝作用で衝撃を吸収するので、接触面圧を小さくでき、接触摺動によるかじりや両者の摩耗を防止でき、長期間にわたり、初期の隙間を保持し、冷却ジャケット１１の冷却効果を大きくすることができる。
次に、シールリング７とメイティングリング８の摺動面の温度及び摺動面の内周の被密封流体の温度を検出する温度検出手段について説明する。
温度検出手段４０は、シールリング７の摺動面７Ａの近傍に装着された熱電対４１、該熱電対４１から機外側に導出されたリード線４２及び温度指示計４３を備えている。熱電対４１は、図２に示すように、シールリング７内の摺動面７Ａの近傍に埋設されるか、あるいは、シールリング７表面の摺動面７Ａの近傍に溶着などで固定されてもよい。熱電対４１から機外側に導出されたリード線４２は、シールカバー５の環状溝５Ｇを経由して機外側に導出することで配線を容易にすることができる。
ところで、冷却ジャケット１１より機外側に配置されたシールリング７及びメイティングリング８において機内側にシールリング７が、また、機外側にメイティングリング８が配置され、シールリング７の外周側の大部分が機外側雰囲気、すなわち、環状溝５Ｇに面すると共に、その内周と回転軸３の外周との隙間γは冷却ジャケット１１により冷却された低温の被密封流体が流動し易いように回転軸３の外周と冷却ジャケット１１の内周との隙間βより大きく設定され、メイティングリング８及びカラー２０等からなる回転側は機外側雰囲気中で回転するように配置されているため、通常状態における摺動面Ｓの温度は摺動面Ｓの内周の被密封流体の温度とほぼ等しく、安定している。したがって、摺動面Ｓの温度を検出することは摺動面Ｓの内周の被密封流体の温度を検出していることと同じである。
摺動面Ｓの温度及び摺動面Ｓの内周の被密封流体の温度が安定していれば、スタフィングボックス９の奥側からの高温流体が摺動面Ｓに流入していないことを意味しており、メカニカルシールの密封性が良好であることを示すものである。
逆に、メカニカルシールの密封性が低下すれば、メカニカルシールからの漏出分の高温流体が摺動面Ｓに流入し、摺動面Ｓの温度、すなわち、検出温度が上昇する。
更に、検出温度が安定して高い場合は、冷却ジャケット１１の異常が考えられる。
更に、検出温度が少しずつ上昇していく場合は、メカニカルシールの寿命が考えられる。
このように、シールリング７とメイティングリング８の摺動面の温度及び摺動面の内周の被密封流体の温度をモニターすればメカニカルシールの異常を知ることが可能である。
逆に、メカニカルシールの密封性が低下すれば、メカニカルシールからの漏出分の高温流体が摺動面Ｓに流入し、摺動面Ｓの温度、すなわち、検出温度が上昇する。
更に、検出温度が安定して高い場合は、冷却ジャケット１１の異常が考えられる。
更に、検出温度が少しずつ上昇していく場合は、メカニカルシールの寿命が考えられる。
このように、シールリング７とメイティングリング８の摺動面の温度及び摺動面の内周の被密封流体の温度をモニターすればメカニカルシールの異常を知ることが可能である。
以上、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明してきたが、具体的な構成は実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、温度センサとして熱伝対４１を示したが、これに限定されることなく、例えば、サーミスタ、白金測温抵抗体、または、放射温度計でもよい。
また、例えば、前記実施の形態では、熱電対４１は、シールリング７内の摺動面７Ａの近傍に埋設されるか、あるいは、シールリング７表面の摺動面７Ａの近傍に溶着などで固定される例について説明したが、これに限らず、例えば、シールリング７に孔を設け、該孔に熱電対４１を嵌入してもよい。
また、例えば、前記実施の形態では、熱電対４１から機外側に導出されるリード線４２について、シールカバー５の環状溝５Ｇを経由して機外側に導出される例を説明したが、これに限らず、例えば、シールカバー５に導出用の孔を設けて機外に導出するようにしてもよい。
１ メカニカルシール
２ ハウジング
３ 回転軸
４ ハウジングの機外側の側面
５ シールカバー
６ ボルト
７ 静止側密封要素（シールリング）
８ 回転側密封要素（メイティングリング）
９ スタフィングボックス
１０ 軸嵌装孔
１１ 冷却ジャケット
１２ 被密封流体
１３ Ｏリング
１４ 固定ピン
１５ コイルスプリング
２０ カラー
２１ セットスクリュー
２２ ドライブピン
２４ ガスケット
２５ セットプレート
２６ ボルト
２７ 凸部
２８ 冷却水給水孔
２９ 冷却水排水孔
３０ 冷却水収容空間
３１ Ｏリング
３２ Ｏリング溝
３３ フィン
４０ 温度検出手段
４１ 熱電対
４２ リード線
４３ 温度指示計
２ ハウジング
３ 回転軸
４ ハウジングの機外側の側面
５ シールカバー
６ ボルト
７ 静止側密封要素（シールリング）
８ 回転側密封要素（メイティングリング）
９ スタフィングボックス
１０ 軸嵌装孔
１１ 冷却ジャケット
１２ 被密封流体
１３ Ｏリング
１４ 固定ピン
１５ コイルスプリング
２０ カラー
２１ セットスクリュー
２２ ドライブピン
２４ ガスケット
２５ セットプレート
２６ ボルト
２７ 凸部
２８ 冷却水給水孔
２９ 冷却水排水孔
３０ 冷却水収容空間
３１ Ｏリング
３２ Ｏリング溝
３３ フィン
４０ 温度検出手段
４１ 熱電対
４２ リード線
４３ 温度指示計
Claims (4)
- ハウジングと回転軸との間に形成した軸封部に装着されて、前記ハウジングと前記回転軸との間をシールする回転側密封要素および静止側密封要素を備えたメカニカルシールにおいて、
前記メカニカルシールは前記回転側密封要素と前記静止側密封要素との摺動面の内周から外周方向へ向かって漏れようとする高温の被密封流体をシールするアウトサイド形であって、
前記回転軸に固定されたカラー、前記回転側密封要素および前記静止側密封要素はスタフィングボックスの外に配置され、
前記高温の被密封流体の前記摺動面への循環を防止するように前記ハウジング内周と前記回転軸外周との間に冷却ジャケットが設けられ、
前記摺動面の温度及び前記摺動面の内周の被密封流体の温度を検出する温度検出手段が設けられ、
前記温度検出手段は、前記静止側密封要素の前記摺動面の近傍に装着された熱電対、該熱電対から機外側に導出されたリード線を少なくとも備え、
前記リード線は、前記回転側密封要素及び前記カラーの外周側と、前記ハウジングの機外側の側面に装着されたシールカバーの内周の絞り面と、の間を延設されて機外側に導出されることを特徴とする高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステム。 - 前記温度検出手段は、前記熱電対、前記リード線及び温度指示計を備えることを特徴とする請求項１に記載の高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステム。
- 前記冷却ジャケットより機外側に配置された前記回転側密封要素及び前記静止側密封要素において機内側に前記静止側密封要素が、機外側に前記回転側密封要素が配置され、前記静止側密封要素の外周側の大部分が機外側雰囲気に面すると共に、その内周と回転軸外周との隙間γは被密封流体が流動し易いように前記回転軸外周と前記冷却ジャケット内周との隙間βより大きく設定され、前記回転側密封要素及びカラー等からなる回転側は機外側雰囲気中で回転するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステム。
- 前記冷却ジャケットは、前記スタフィングボックスに設けられた冷却水給排水孔と連通する冷却水収容空間を中央部に有し、両側外周にそれぞれＯリングを介して前記ハウジング内周に密封的に装着され、前記冷却ジャケット外周と前記ハウジング内周との隙間αを前記回転軸外周と前記冷却ジャケット内周との隙間βより大きく設定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高温密封流体をシールする故障予知型メカニカルシールシステム。
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