JP6337151B2 - ガス分離性能が向上した回転メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転メカニカルシールのドライ運転を防止するようにガス分離性能を向上した回転メカニカルシール装置に関する。

従来技術において、回転メカニカルシール装置の様々な実施形態が知られている。いわゆるタンデム設計においては、２つの回転メカニカルシールが直列に二連接続されており、大気側の回転メカニカルシールは通常２つの回転メカニカルシールの間の流体空間に配置されたクエンチ剤によって潤滑される。機内側の回転メカニカルシールは通常機内流体そのものによって潤滑される。機内側の圧力は２つの回転メカニカルシール間の流体空間内圧力より高いため、機内からの漏れが機内側シーリングギャップを通り流体空間へと至る事象が発生する。シール流体がガスの場合、ガスが流体空間に入り込む可能性がある。シール流体が液体の場合、この液体が機内側シーリングギャップを通過する際に圧力低下により気化し、流体空間内でガスが濃縮する可能性もある。機内側回転メカニカルシールの摺動面に溝等が設けられた場合、又は機内側回転メカニカルシールが幾分より大きなシーリングギャップで動作しなければならないダイヤモンドコーティングを備える場合、上記の漏れは更に大きくなる。流体空間内のクエンチ剤においてガスが濃縮すると、ガスが一定の体積濃度になった時点で、ガスの閉リングが形成される可能性がある。この結果、大気側の回転メカニカルシールの潤滑が劣化し、特に過熱やドライ運転の恐れが生じる。ガスの高濃度化は、更に流体空間内の例えばポンプリング等のポンプ装置の機能にも影響する可能性があり、流体空間内のクエンチ剤の循環がなされなくなる。これにより、特にクエンチ剤の温度が上昇し、特に大気側回転メカニカルシールの密封不良につながる可能性もある。

従って本発明の目的は、単純な構造で、簡単且つ安価に生産可能でありつつ、２つの回転メカニカルシール間の流体空間からガスを確実に排出することができる２つの回転メカニカルシールを有する回転メカニカルシール装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を備える回転メカニカルシール装置により実現される。従属項は、本発明の好ましい更なる展開を示す。

請求項１の特徴を有する本発明に係る回転メカニカルシール装置は、第１と第２の回転メカニカルシール間の流体空間に位置するガスを確実に排出し、特に流体空間内においてガスのリングの形成を防止できるという利点がある。これにより、回転メカニカルシール装置を全動作点において十分に冷却することができ、十分な密封を確実に行うこともできる。更に、回転メカニカルシール装置の耐用期間を著しく延ばすことができる。本発明によると、流体空間からクエンチ剤を排出可能なクエンチ排出口の他に、流体空間に位置するガスを排出可能なガス排出口を追加配置して、これを実現している。更に、２つの回転メカニカルシール間の流体空間に配置されたスロットル装置が設けられている。このスロットル装置は流体空間を機内側流体空間領域と大気側流体空間領域に分割する。ガス排出口は機内側流体空間領域に配置される。クエンチ排出口は大気側流体空間領域に配置される。この配置によって、第１の回転メカニカルシールを通って流体空間に入り込んだガスを、追加のガス排出口へ直上に排出することができ、当該ガスが第２の回転メカニカルシールに到達する怖れがない。従って、第２の回転メカニカルシールには常に十分なクエンチ剤が供給され、第２の回転メカニカルシールの規定潤滑条件を常に満たすことができる。

スロットル装置は、特にシャフト等の前記回転部品と共に回転する回転リングディスクを備えることが好ましい。この回転リングディスクを備えるスロットル装置は、ガスに対する追加的なバリアを構成し、入り込んだガスをガス排出口を介して確実に排出することを可能とする。

リングディスクは更に搬送手段を備えることが好ましい。リングディスク部の搬送手段は、第１の回転メカニカルシール側にクエンチ剤を搬送するように構成されており、ガスに対する逆流をかなり増加させる。搬送手段は例えばブレードや羽根である。搬送手段は、クエンチ剤を第１の回転メカニカルシール側へ搬送し、機内側流体空間領域内への搬送が増加可能となるように、リングディスクの第２の回転メカニカルシールに対向する側に配置されることが更に好ましい。

更に好ましくは、ガス排出口のオリフィスは、流体空間におけるスロットル装置のリングディスクの最大外径より小さい第１の直径の部分に配置される。このようにすることで、液体のクエンチ剤は遠心力により流体空間の外周領域に位置し、ガスは遠心力により流体空間の内周領域に存在する傾向があるため、更に安全にガスを排出できる。

スロットル装置は、最適な密封性能とスロットル効果を実現するために、複数の流体偏向領域を有するラビリンスを備えることが好ましい。

流体領域の最小断面部をガス排出口の位置に設けることが更に好ましい。これによって、ガスをガス排出口に直接排出することが確実にできる。最小断面部を流体空間の最小内径部分に設けることが更に好ましい。

本発明の更に好適な実施形態によれば、クエンチ供給部は脱ガス容器を備える。ここで、ガス排出口が脱ガス容器に接続されていることが好ましい。このようにすると、流体空間から排出されたガスを脱ガス容器で分離して、例えば、バルブや別の脱ガス容器等を経由して大気又はトーチへ放出することができる。

ガス排出口は、流体空間からガス排出口へのガスの移送を好適に促進するために、回転メカニカルシール装置の半径方向に対して回転部品の回転方向に傾いている。ここで、ガス排出口が設けられているハウジング部品の内周部に、徐々に深くなりつつ周方向に延びてガス排出口に通じる溝が更に設けられても良く、これにより、ガス排出口内のガスの流れを更に良くすることができる。

クエンチ供給部は循環回路として構成されることが更に好ましく、大気側流体空間領域で終端する流体空間への注入口を備える。

本発明の更に好適な実施形態によれば、更にポンプ手段が設けられ、流体空間内のクエンチ剤を搬送するように構成される。ポンプ手段は、スロットル装置と第２の回転メカニカルシールとの間の大気側流体空間領域に配置される。本発明によれば、ポンプ手段は、例えばポンプスクリューやポンプリング等の形態で回転により液体空間内のクエンチ剤の搬送を可能にする任意の搬送手段である。

前記スライドリングの少なくとも１つ、特に機内側回転メカニカルシールのスライドリングの１つが、ダイヤモンドコーティングを備えることが更に好ましい。ダイヤモンドコーティングを備えた回転メカニカルシールのシーリングギャップは、他の回転メカニカルシールのものと比較して僅かに大きい傾向があるため、ダイヤモンドコーティングを施したリングの場合、機内側から流体空間への漏れが増加するため、本発明は、流体空間内の増加したガスを排出するのに特に適している。

本発明の好ましい実施形態に係る回転メカニカルシール装置の部分断面概略図である。

以下、添付図面を参照して一実施形態を詳細に説明する。図面中、図１は、本発明の好ましい実施形態に係る回転メカニカルシール装置の部分断面概略図である。

図１から明らかなように、回転メカニカルシール装置１は、第１の回転メカニカルシール２と第２の回転メカニカルシール３を備える。流体空間４は、軸Ｘ−Ｘ方向において２つの回転メカニカルシール２と３の間に構成されている。

この回転メカニカルシール装置１は、両者間に第１のシーリングギャップ２３を画定する第１の回転スライドリング２１と第１の固定スライドリング２２とを有する第１の回転メカニカルシール２を備える。更に、回転メカニカルシール装置１は、第２の回転スライドリング３１と、第２の固定スライドリング３２と、及びこれら２つのスライドリングの間に形成されるシーリングギャップ３３とを有する第２の回転メカニカルシール３を備える。

このように、回転メカニカルシール装置１は、機内側５を大気側６から密封するように２つの回転メカニカルシール２、３が直列に接続されたいわゆるタンデム設計で設けられる。

流体空間４には、クエンチ供給部７によって供給される液体のクエンチ剤が位置している。

クエンチ供給部７は、排出配管４０を介して脱ガス容器１６に接続されたクエンチ排出口８を備える。脱ガス容器１６には、排出ガスを脱ガス容器から分離するためのガス排出口４３が設けられている。更に、脱ガス容器１６はクエンチ剤用の供給配管４１と注入口１８とを介して流体空間４に接続されている。

流体空間４には、クエンチ剤輸送用のポンプリング１９が設けられている。更に、代替的、又は追加的に、ポンプをクエンチ供給部の配管部に設けてもよい。

図１から明らかなように、付勢要素によって、各回転スライドリングを軸Ｘ−Ｘ方向に予め付勢してもよい。

ところで、本発明では、追加のガス排出口９及びスロットル装置１０が備えられる。スロットル装置によって、流体空間は機内側流体空間領域と大気側流体空間領域とに分割されている。図１から明らかなように、ガス排出口９は、軸Ｘ−Ｘ方向においてスロットル装置１０と第１の回転メカニカルシール２の間の機内側流体空間領域４ａに配置されている。クエンチ排出口８は、スロットル装置１０と第２の回転メカニカルシール３との間の大気側流体空間領域４ｂに配置されている。

ガス排出口９は、ハウジング２０等に設けられる。

従って、機内側５の機内流体により潤滑されている第１の回転メカニカルシール２の第１のシーリングギャップ２３を介して運転中に［入り込む］ガスを、第１の回転メカニカルシール２の相対的に近くに配置されたガス排出口９を介して排出することができる。ここで、スロットル装置１０は、第１のシーリングギャップ２３を介して流体空間４に入り込んだガスが、更に第２の回転メカニカルシール３へと導かれるのを防止する。

ガス排出口９は、接続配管４２を介してクエンチ排出口８の排出配管４０に接続されている。これにより、ガス排出口９を介して排出されたガスを排出配管４０内へ、更に、そこから脱ガス容器１６内へと導くことができる。 なお、ガス排出口９は直接大気に通じてもよく、或いは、ガス排出口９の接続配管４２が接続される別の第２の脱ガス容器を設け、ガスを分離してもよい。

図１から明らかなように、スロットル装置１０は、複数の流体偏向部を有するラビリンス１５の形状に構成されている。スロットル装置１０は更に、回転部品と共に回転するリングディスク１１を備える。本実施形態における回転部品は、シャフトスリーブ５１を有するシャフト５０である。

リングディスク１１は更に、リングディスクの第２の回転メカニカルシール３に対向する側１３に配置された複数の搬送手段１２を備える。搬送手段１２は、例えば、ブレードや羽根等であってよい。搬送手段１２は液体のクエンチ剤を流体空間４の大気側流体空間４ｂから流体空間４内の機内側流体空間４ａ側へと搬送する。このように、リングディスク１１の搬送手段によってガスに対して逆流を与えることにより、該ガスは、ガス排出口９を介して流体空間４から確実に排除される。

図１から更に明らかなように、第２の直径Ｄ２より小さい第１の直径Ｄ１の部分に、ガス排出口９のオリフィス１４が設けられている。第２の直径Ｄ２は、リングディスク１１の最大外径である。

更に、ガス排出口９のオリフィス１４は、流体空間の最小断面部１７に配置されている。図１から明らかなように、最小断面部１７はガス排出口９の正に内側に設けられているので、回転及び遠心力によって流体空間の内周領域に集まる傾向にあるガスと、その強められた流れとを、最小断面部１７に取り込み、ガス排出口９内へと確実に排出することができる。

ガス排出口９へのガスの導入が特に容易になるように、図１の断面には不図示であるが、ガス排出口９を、回転方向Ｒに沿って、好ましくは回転メカニカルシール装置の半径方向に対して傾く回転方向Ｒに沿って配置することが好ましい。オリフィス１４から延びるガス排出口９は、シャフト５０の半径方向に延びるのではなく、該半径方向に対し回転方向に傾く角度で延びており、これによりガス排出口へのガスの流れがかなり向上する。また、ハウジング２０には、ハウジング２０の内周を周方向に延びる溝が設けられてもよく、当該溝はガス排出口９へとガスを更に導くようにオリフィス１４に近づくに従って深くなっていることが好ましい。

図１には、各矢印は、クエンチ供給部７を通るクエンチ剤の流れと、ガス排出口９を介して排出されるガスの流れを示す。

なお、機内側５の流体は、液体又は気体状の流体である。気体状の流体の場合、第１の回転メカニカルシール２は、気体状の流体によって潤滑された気体潤滑回転メカニカルシールとして構成される。そのため、余計なガスが流体空間４に到達する可能性があるが、本発明に係る手段によって当該ガスをガス排出口９内に確実に排出できる。機内側の媒体が液体である場合、この液体が、機内側と流体空間４との圧力差により第１のシーリングギャップ２３内で気化し、これにより、流体空間４内に不要なガスが発生する可能性があるが、これも、本発明に係る手段によりガス排出口９を介して排出できる。

特に、本発明では、機内側の第１の回転メカニカルシール２に、ダイヤモンドコーティングを施したスライドリングを使用できる。これにより、ダイヤモンドコーティングを施したスライドリングによって回転メカニカルシール２の耐用期間を長くすることができる。また、第２の回転メカニカルシール３は、任意の所望の摺動面を備えて構成することができると共に、ガスにより第２の回転メカニカルシール３が損傷することがないため、従来技術と比較して耐用期間を著しく長くすることができる。

１ 回転メカニカルシール装置
２ 第１の回転メカニカルシール
３ 第２の回転メカニカルシール
４ 流体空間
４ａ 機内側流体空間領域
４ｂ 大気側流体空間領域
５ 機内側
６ 大気側
７ クエンチ供給部
８ クエンチ排出口
９ ガス排出口
１０ スロットル装置
１１ リングディスク
１２ 搬送手段
１３ リングディスクの大気側
１４ ガス排出口のオリフィス
１５ ラビリンス
１６ 脱ガス容器
１７ 流体空間の最小断面部
１８ クエンチ剤の注入口
１９ ポンプリング
２０ ハウジング
２１ 第１の回転スライドリング
２２ 第１の固定スライドリング
２３ 第１のシーリングギャップ
３１ 第２の回転スライドリング
３２ 第２の固定スライドリング
３３ 第２のシーリングギャップ
４０ 排出配管
４１ 供給配管
４２ 接続配管
４３ 排出口
５０ シャフト
５１ シャフトスリーブ

Claims (11)

1. 回転部品における機内側（５）を密封する回転メカニカルシール装置（１）であって、
   両者の間に第１のシーリングギャップ（２３）を画定する第１の回転スライドリング（２１）と第１の固定スライドリング（２２）とを備える第１の回転メカニカルシール（２）と、
   両者の間に第２のシーリングギャップ（３３）を画定する第２の回転スライドリング（３１）と第２の固定スライドリング（３２）とを備える第２の回転メカニカルシール（３）と、
   前記第１及び第２の回転メカニカルシール（２、３）によって制限される流体空間（４）とを備え、
   前記第１の回転メカニカルシール（２）は前記機内側（５）の機内媒体によって潤滑され、前記第２の回転メカニカルシール（３）はクエンチ供給部（７）が供給し前記流体空間（４）内に位置する液体クエンチ剤によって潤滑され、
   前記回転メカニカルシール装置（１）は、
   クエンチ剤を前記流体空間（４）から排出する経路となるクエンチ排出口（８）と、
   前記流体空間に位置するガスを排出する経路となるガス排出口（９）と、
   前記第１の回転メカニカルシール（２）と前記第２の回転メカニカルシール（３）との間の前記流体空間（４）内に配置され、前記流体空間（４）を機内側流体空間領域（４ａ）と大気側流体空間領域（４ｂ）に分割するスロットル装置（１０）とを更に備え、
   前記ガス排出口（９）が前記機内側流体空間領域（４ａ）に配置され、前記クエンチ排出口（８）が前記大気側流体空間領域（４ｂ）に配置され、
   前記スロットル装置（１０）が回転リングディスク（１１）を備え、
   前記流体空間（４）に開口する前記ガス排出口（９）のオリフィス（１４）が、前記リングディスク（１１）の最大外径（Ｄ２）より小さい第１の直径（Ｄ１）の部分に配置されていることを特徴とする回転メカニカルシール装置。
2. 前記リングディスク（１１）部分に搬送手段（１２）が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の回転メカニカルシール装置。
3. 前記搬送手段（１２）が、前記リングディスク（１１）の前記第２の回転メカニカルシール（３）に対向する側（１３）に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の回転メカニカルシール装置。
4. 前記スロットル装置（１０）が複数の流体偏向領域を有するラビリンス（１５）を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転メカニカルシール装置。
5. 前記流体空間（４）の最小断面部（１７）が前記ガス排出口（９）の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転メカニカルシール装置。
6. 前記クエンチ供給部（７）が脱ガス容器（１６）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転メカニカルシール装置。
7. 前記ガス排出口（９）が前記脱ガス容器（１６）に接続されていることを特徴とする、請求項６に記載の回転メカニカルシール装置。
8. 前記ガス排出口（９）が前記回転メカニカルシール装置の半径方向に対し回転方向（Ｒ）に傾いていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転メカニカルシール装置。
9. 前記クエンチ剤の前記流体空間（４）への注入口（１８）が、前記大気側流体空間領域（４ｂ）に配置されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の回転メカニカルシール装置。
10. 前記大気側流体空間領域（４ｂ）に配置され、クエンチ剤を搬送するポンプ手段（１９）を更に備えた、請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転メカニカルシール装置。
11. 前記第１の回転メカニカルシール（２）及び／又は前記第２の回転メカニカルシール（３）が、ダイヤモンドコーティングされたスライドリングを少なくとも１つ備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の回転メカニカルシール装置。

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