JP6513809B2 - 流体機械の軸封装置及び流体機械の軸の封止方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば発電所のタービンや圧縮機等の流体機械の軸封装置、そのような軸封装置を有する流体機械、及び流体機械の軸の封止方法に関する。

例えば発電所のタービンや圧縮機等の流体機械の封止には、オイルを含有する封止媒体で封止された液体潤滑型メカニカルシールが用いられる。更に、例えば有機ランキンサイクル（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ（ＯＲＣ））法や地熱用途で使用される膨張タービンにも適用されている。これらの場合、媒体は、健康上の理由や環境又は安全上の理由から、漏出物として外部に排出されるべきではない。一方、液体潤滑式オイルシールを使用するには、複雑な漏出物再循環システムが必要になる。更に、封止媒体として用いられるオイルが危険な媒体と接触するため、オイル処理システムを設ける必要がある。その結果、これらのシステムのコストは非常に高くなってしまう。更に、上記のような用途では、軸の回転速度が４０ｍ／ｓ〜１４０ｍ／ｓと高速であるが、オイルシールは最大で８０ｍ／ｓの回転速度までしか使用できない。

このため、本発明は、漏出の無い軸封を容易に行えつつ、簡易且つ費用対効果の高い構造を有し且つガス潤滑式メカニカルシールを使用するという特徴を有する、軸を封止するための流体機械の軸封装置を提供することを目的とする。更に、本発明は、このような軸封装置を有する流体機械、及びこのような軸封装置を作動させる方法を提供することを目的とする。

上記目的は、請求項１の特徴を有する軸封装置、請求項１５の特徴を有する流体機械、又は請求項１６の特徴を有する方法によって達成される。下位の請求項は、それぞれ本発明の好適な更なる発展例を示す。

請求項１の特徴を有する発明に係る軸封装置は、運転中における製品媒体の漏出を完全に回避できるという利点を有する。同時に、軸封装置は、簡素且つ費用対効果の高い設計を有する。本発明によれば、これは、封止対象である製品側と大気側との間に並んで配置される第１、第２、及び第３シールを設けることで実現される。第１及び第２シールの間に第１圧力を有する第１空間が画成され、第２及び第３シールの間に第２圧力を有する第２空間が画成される。ここで、第１圧力は、第２圧力と等しい又は略等しい。ここで本発明における「略等しい」とは、第１及び第２空間の圧力差が１％以下、具体的には０．５％以下、具体的には０．２％以下であると解釈される。

換言すれば、第１及び第２空間の圧力差は、０に近い又は０であるべきである。更に、第１空間は、所定の圧力を有する製品媒体が第１空間に供給されるように、製品側に接続されている。第２空間は、圧力媒体（封止媒体）を第２空間に供給可能とする圧力供給路に接続されている。この場合、第１及び第２空間内の圧力が等しい又は略等しいため、中間シール、即ち第２シールを圧力差が０の状態で作動させることができる。これにより、第１空間内にある製品媒体が第２空間に漏出することを回避できる。したがって、運転中における漏出を無くすことができる。第１空間から第１シールを介して製品側に戻る漏出や、環境的に影響のない圧力媒体（封止媒体）で満たされている第２空間から大気側への漏出は、僅かに生じてよい。更に、圧力差が０の状態で中間シールを作動させることで、第２空間から中間シールを介する漏出によって生じる第１空間内の製品媒体の汚染を回避できる。

好適には、第２シールは、回転メカニカルシール及び固定メカニカルシールを有するガス潤滑式メカニカルシールである。したがって、このガス潤滑式メカニカルシールは、同じ圧力又は略同じ圧力を内部に有する第１及び第２空間の間に配置されている。このため、このメカニカルシールによって、第１及び第２空間の間の効果的な封止が確保できる。

本発明の好適な別の実施形態によれば、第２シールは、径方向間隙シールであり、具体的には、ラビリンスシール又はカーボンリングシールである。ここで、カーボンリングシールは、炭素含有材料から構成され、好適には、側面に回転構造部品に対向する環状の周方向凹部を有する。この場合、径方向間隙シールは、例えば軸等の回転構造部品を直接封止する。特に、径方向間隙シールは、軸方向において非常コンパクトな構造を有するため、軸封装置の全体の軸方向長さを非常に小さくできるという利点を有する。

更に、好適には、第１シールは、径方向間隙シールであり、具体的には、ラビリンスシール又はカーボンリングシールである。第１シールとして径方向間隙シールを用いることで、軸封装置の軸方向の設置長さを更に短くできる。

更に、好適には、軸封装置は、制御ユニットと、第２空間へ圧力媒体を供給する圧力供給路内に配置された第１絞り装置とを更に備える。第１絞り装置は制御ユニットに接続されている。制御ユニットは、第１空間内の圧力に応じて第１絞り装置を制御するように構成されており、具体的には、第２空間内の圧力が第１空間内の圧力と等しくなる又は略等しくなるように制御する。ここで、上記制御は、第１絞り装置を開閉させることで行われる。このため、本発明によれば、運転中に起こり得る第１空間内の圧力変化に容易に反応して、第２空間内の圧力を第１空間内の圧力に調節することができる。

更に、好適には、ガス潤滑式メカニカルシールで実現された第２シールは、そのメカニカルシールの少なくとも１つ、好適には両方にダイヤモンドコーティングが施されている。これにより、第２シールによる封止がとりわけ確実になる。また、これにより、第２シールの寿命を長く保つことができる。

好適には、圧力供給路を介して第２空間に供給される圧力媒体は空気又は窒素である。これにより、大気側の第３シールを介する漏出によって、環境的な問題が起こることはない。

また、好適には、軸封装置は、第２空間から分岐する圧力戻し路を更に備える。これにより、具体的には、第３シールを介した大気側への漏出を最小限に抑えることができる。特に好適には、第２絞り装置が圧力戻し路内に配置され且つ制御ユニットに接続される。この場合、第２空間内の圧力を第１空間内の圧力に調節してこれら２つ空間の圧力差を０に近くする又は０にするために、制御ユニットは、第１空間内の圧力に応じて第２絞り装置を制御するように構成される。

本発明の特に好適な実施形態によれば、軸封装置は、第１及び第２シールの間に配置された第４シールを更に備える。ここで、第４シールは、第１及び第２シールの間の第１空間を、第１及び第４シールの間の第１副空間と、第４及び第２シールの間の第２副空間とに分割する。この場合、第１副空間は製品側に接続され、第２副空間は、製品媒体を第２副空間から製品側に戻すことができる、製品側への製品戻し路を有する。ここで、第１副空間は、第２副空間内の圧力よりも高い圧力を内部に有する。本発明によれば、第２副空間内の圧力は、第２及び第３シールの間の第２空間内の圧力と等しい又は略等しい。したがって、第２シールは、両側がそれぞれ少なくとも１つの別のシールで封止されるため、圧力差が０の状態で作動することができる。

４つのシールを並べて設けることで、製品側へ製品媒体を戻すための追加的な製品戻し路を、軸封装置に一体化させることができる。３つの空間、即ち第１副空間、第２副空間、及び第２空間は、４つのシールの間に画成される。３つの空間は、全て大気圧よりも高い圧力を有する。ここで、中間の空間の圧力と大気側の空間（第２空間）の圧力とが等しい又は略等しいため、第２シールを圧力差の無い状態で作動させることができる。このため、第２空間への製品媒体の漏出が首尾よく回避される。

本発明の更なる好適な実施形態によれば、軸封装置は第５シールを更に有する。第５シールは第２及び第３シールの間に配置される。この場合、第５シールは、第２空間を、第２及び第５シールの間の第３副空間と、第５及び第３シールの間の第４副空間とに分割する。ここで、第４副空間は圧力供給路に接続されている。圧力戻し路が第３副空間から分岐している。これにより、圧力差が０の状態で作動する第２シールが、第２副空間と第３副空間との間に配置される。第２副空間内の圧力と第３副空間内の圧力とが等しい又は略等しいため、第２シールを介する漏出を回避することができる。このように、本例示的実施形態では、５つのシールが並んで配置され、４つの空間（第１副空間、第２副空間、第３副空間、第４副空間）がこれら５つのシールの間に画成される。本発明によれば、中間シール、即ち第２シールは、ここでも、その製品側と大気側との間の圧力差が０の状態で作動可能であり、中間シールに隣接する２つの空間は、同じ又は略同じであり且つ大気圧よりも高い圧力レベルに維持される。この構成により、確実に製品媒体が大気側へ漏出できないようになっている。したがって、危険な製品媒体を、確実且つ費用対効果が高い形態で封止することができる。更に、第４副空間内の圧力は、第３副空間内の圧力よりも高い。このため、第４副空間から第３副空間へ一定の漏出が生じ得るが、この漏出を、その後、第３副空間から分岐する圧力戻し路を介して排出させることができる。

更に、軸封装置は、好適には、製品戻し路内に配置され且つ制御ユニットに接続された第３絞り装置を備え、制御ユニットは、第３絞り装置を開閉させることによって第１圧力を制御するように構成される。

５つのシールを設ける場合に、よりコンパクトな実施形態を容易に実現するために、第３及び第５シールが共通メカニカルシールに一体化され、圧力媒体の圧力供給路が、共通固定メカニカルシールの後側からこの固定メカニカルシールの内部を通って摺動面まで案内されている。この場合、第３及び第５シールの間の第４副空間は、共通メカニカルシールの封止間隙に配置される。第４副空間からは、一方側である大気側及び他方側である第３副空間へ漏出が生じてよい。

好適には、全てのシールをガス潤滑式メカニカルシールで実現すると、特にコンパクトであり、具体的には軸方向にコンパクトな構造を有する装置が得られる。また、製品側を封止する第１シールを、カーボンシール又はラビリンスシールとすることもできる。

更に、本発明は、本発明に係る軸封装置を備える流体機械にも関する。特に好適には、流体機械は、タービン、具体的には発電所のタービン又は圧縮機である。更に、好適には、流体機械は、４０ｍ／ｓ〜２００ｍ／ｓ、具体的には９０ｍ／ｓ〜１４０ｍ／ｓの回転速度で作動可能な軸を有する。

更に、本発明は、軸に並んで配置される第１、第２、及び第３シールを備える軸封装置を作動させる方法に関する。ここで、第２シールは、第１及び第３シールの間の中間シールとして配置されている。ここで、並んで配置された３つのシールは、第１及び第２空間を画成し、封止対象の製品媒体が第１空間に供給される。第２空間は、加圧された圧力媒体を有する。第１空間内の圧力は、第２空間内の圧力と等しい又は略等しい。これにより、圧力勾配が無い又は最小限に抑えられた状態で第２シール（中間シール）を作動させることができる。

特に好適には、第２空間内の圧力媒体の圧力レベルを、第１空間内の圧力に応じて絞り装置で制御する。特に好適には、第１空間に供給される製品媒体の圧力も、製品側からの抽出後に、絞り装置で制御する。

以下に、添付の図面を参照して、好適な例示的実施形態を詳細に説明する。図面において同一又は機能的に同一な部分には、同じ参照符号を付す。

本発明の第１の例示的実施形態に係る軸封装置の概略断面図を示す。 本発明の第２の例示的実施形態に係る軸封装置の概略断面図を示す。 本発明の第３の例示的実施形態に係る軸封装置の概略断面図を示す。 本発明の第４の例示的実施形態に係る軸封装置の概略断面図を示す。 本発明の第５の例示的実施形態に係る軸封装置の概略断面図を示す。 本発明に係る軸封装置に用いる別の径方向間隙シールの概略断面図を示す。 本発明の第６の例示的実施形態に係る軸封装置の概略断面図を示す。 本発明の第７の例示的実施形態に係る軸封装置の概略断面図を示す。 本発明の第８の例示的実施形態に係る軸封装置の概略断面図を示す。

以下に、図１を参照して、本発明の第１の例示的実施形態に係る軸封装置１００を詳細に説明する。

図１からわかるように、軸封装置１００は、第１シール１、第２シール２、及び第３シール３を備える。ここで、これらの３つのシールは、軸８に、製品側１５から大気側１６まで軸方向Ｘ−Ｘに沿って並んで配置されている。このため、軸封装置１００は、大気側１６に対して製品側１５を封止する。製品側１５には、例えば環境的に危険になり得る製品媒体を送るタービン９が設けられている。ここで、製品側１５は製品圧力ＰＰを有し、大気側１６は大気圧ＰＡを有する。

第１，第２及び第３シール１，２，３は全て、ガス潤滑式メカニカルシールで実現される。第１シール１は、回転メカニカルシール１１及び固定メカニカルシール１２を備え、これらの間に封止間隙１３が画成されている。第２シール２は、回転メカニカルシール２１及び固定メカニカルシール２２を備え、これらの間に封止間隙２３が画成されている。第３シール３は、回転メカニカルシール３１及び固定メカニカルシール３２を備え、これらの間に封止間隙３３が画成されている。

好適には、第２シール２のメカニカルシール２１，２２の両方にダイヤモンドコーティングが施されている。

図１からわかるように、第１シール１と第２シール２との間に第１空間６が形成されている。第１空間６は第１圧力Ｐ１を有する。第２シール２と第３シール３との間に第２空間７が形成されている。第２空間７は、内部に第２圧力Ｐ２を有する。

第１空間６は、製品供給路１７を介して製品側１５に接続されている。これにより、製品媒体を製品側１５から第１空間６へ供給することができる。製品媒体は、第１空間６における所望の圧力レベルに応じて、製品側１５における対応する箇所から抽出される。

第２空間７には、圧力供給路２５を介して圧力媒体が供給される。製品媒体と同様に、圧力媒体も気体である。圧力媒体は圧縮機９０を用いて送給される。圧力供給路２５内には第１絞り装置２７が配置されている。

更に、第２空間７からは圧力戻し路２６が分岐している。圧力戻し路２６内には第２絞り装置２８が配置されている。

軸封装置１００は制御ユニット１０を更に備える。制御ユニット１０は、第１及び第２絞り装置２７，２８に接続されている。更に、第１圧力を検知するためのセンサ２９が第１空間６に配置されている。センサ２９は、第１空間６内の圧力レベルを制御ユニット１０に送信する。

これにより、制御ユニット１０は、第１及び第２絞り装置２７，２８を制御することで、第１空間内の第１圧力Ｐ１が第２空間内の第２圧力Ｐ２と等しくなるか又は略等しくなるように第２空間７内の圧力レベルを制御するように構成されている。本発明において「略等しく」とは、第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との圧力の差が、１％未満であり、具体的には０．５％未満であることを意味する。これにより、第２シール２を圧力が釣り合った状態で作動させることが可能である。換言すれば、第２シール２を、圧力差ΔＰが０の状態で作動させることができる。これにより、第１空間６内にある製品媒体が第２シールを介して第２空間７に漏出することが防止される。したがって、本発明によれば、ガス潤滑式メカニカルシール（第２シール２）によって分割され、同じ圧力を内部に有する２つの空間を設けることによって、漏出を無くすことができる。

図１に示すように、第１空間６から製品側１５へは、第１漏出Ｌ１が僅かに生じるだけである。同様に、第２空間７から大気側１６へ、第２漏出Ｌ２が僅かに生じる。圧力が釣り合った状態の中間シール（第２シール）を介する漏出は生じない。

なお、制御ユニット１０が、２つの絞り装置２７，２８のうちの１つのみを選択して、第２空間７内の圧力を制御することも勿論可能である。即ち、第２空間の圧力制御は、第１絞り装置２７又は第２絞り装置２８のみを制御することによっても実現可能である。しかし、タービン９の運転中に第１空間６の圧力が変動する可能性があり、この変動がある場合に、より迅速に制御・対応できるように絞り装置２７，２８の両方を制御するのが好適である。

このように、本発明によれば、複数のシールのうちの中間シールは、圧力差が０の状態で作動する。ここで、中間シールに隣接する空間内の圧力は、それぞれ同じレベルに維持される。このため、中間シールを介する漏出を確実に防止できる。中間シールに隣接する２つの空間は、少なくとも１つの製品側シール（第１シール）及び大気側シール（第３シール）で封止される。したがって、例えば発電所における用途において、複雑な漏出物再循環システムと製品媒体を封止媒体から分離する分離装置とを有する、これまで用いられてきた複雑なオイルシールを省略することができる。本発明によれば、封止のために用いられる製品媒体用の漏出物再循環システムを第１空間６に設ける必要がない。第１シール１を介して第１漏出Ｌ１が生じるものの、非常に僅かな漏出であるため、本発明に係る軸封装置の運用の経済性はとても高いものとなる。第２空間７に関しても、第２空間７から大気側１６へごく僅かな第２漏出Ｌ２しか生じず、本発明の経済効率を高くすることに貢献している。

ここで、第１漏出Ｌ１は、製品側１５におけるより低圧の領域に戻される。このため、第１空間６と製品側１５の圧力差が極端に大きくなることはない。

更に、本発明によれば、軸封装置１００を用いることで、タービンの高速回転速度、具体的には４０ｍ／ｓ〜１４０ｍ／ｓでの封止が容易になり、軸封装置１００の設計を変更する必要もない。ここで、オイルシールの場合、最大で約８０ｍ／ｓの回転速度までしか封止できない。

第２シール２を介する製品媒体の漏出を確実に防止するために、第２圧力Ｐ２は第１圧力Ｐ１よりも僅かに高く、例えば、その圧力差は０．１％未満の範囲である。

図２は、本発明の第２の例示的実施形態に係る軸封装置１００を示す。

図２からわかるように、第２の例示的実施形態の軸封装置１００は、計４つのシールを備える。より具体的には、軸封装置は、第１シール１、第２シール２、第３シール３、及び第４シール４を備える。

第４シール４は第１シール１と第２シール２との間に配置されている。第４シール４は、回転メカニカルシール４１、固定メカニカルシール４２、及びこれらのメカニカルシールの間に配置された封止間隙４３を備える。第４シール４は、上記の第１の例示的実施形態の第１空間を、第１副空間６１及び第２副空間６２に分割する。このため、第２の例示的実施形態の軸封装置は、計４つのシール、及び軸８に並んで配置されたこれらのシールの間に設けられた計３つの空間を備える。

この場合、製品供給路１７は、製品媒体を第１副空間６１に供給する。第２副空間６２からは、製品戻し路１８が製品側１５に戻るように延設され、好適には、処理における副空間６２内の圧力Ｐ１よりも低い静圧を有する箇所まで延設されている。ここで、第１副空間６１内の第３圧力Ｐ３は、第２副空間６２内の第１圧力Ｐ１よりも僅かに高い。第１の例示的実施形態と同様に、第２副空間６２内の第１圧力Ｐ１は、第２空間７内の圧力Ｐ２と等しい又は略等しい。また、第１副空間６１内の第３圧力Ｐ３は、製品圧力ＰＰよりも僅かに高く、第１副空間６１から製品側１５へ第１漏出Ｌ１が僅かに生じる。

第１の例示的実施形態と同様に、第１圧力Ｐ１を内部に有する第２副空間６２と、第２圧力Ｐ２を内部に有する第２空間７との圧力差は、０又は０に近い。これは、制御ユニット１０で制御される。また、第２副空間６２から製品戻し路１８が分岐している。ここで、製品戻し路１８は、比較的小さな断面を有する。この製品戻し路１８の小さな断面とその長さによって、再循環媒体の流れが絞られる。圧力供給路２５や圧力戻し路２６のように、製品戻し路１８内にも制御可能な絞り装置を別途設置することが可能であることに留意されたい。更に、図２からわかるように、第２副空間６２内の第１圧力Ｐ１を検知するために、第２副空間６２にセンサ２９が配置されている。

第２の例示的実施形態では、４つシールの全てが、ガス潤滑式メカニカルシールで実現される。また、本例示的実施形態では、製品媒体が第２空間７に達し、そこから望ましくない形で大気に排出されることが回避される。これは、第２シール２を圧力差ΔＰが０の状態で作動可能であり、第２副空間６２と第２空間７内の圧力Ｐ１，Ｐ２が等しい又はこれら２つの空間の圧力差が０に近いため、実現できる。一方、圧力Ｐ１及びＰ２は大気圧ＰＡよりも高い。そして、第３漏出Ｌ３は、製品戻し路１８を介して第１副空間６１から第２副空間６２へ再循環される。

他の点については、本例示的実施形態は第１の例示的実施形態と同様であるため、上記した第１実施形態の説明を参照されたい。

図３は、本発明の第３の例示的実施形態に係る軸封装置１００を示す。

図３からわかるように、第３の例示的実施形態の軸封装置１００は、第１シール１、第２シール２、第３シール３、第４シール４、及び第５シール５を備える。これら５つのシールも、軸８に並んで配置されている。

第５シール５は第２シール２と第３シール３との間に配置されている。第５シール５は第２空間７を第３副空間７１及び第４副空間７２に分割する。このため、第３の例示的実施形態の軸封装置１００は、計５つのシール、及びこれらの間に配置された計４つの空間を有する。ここで、第４副空間７２内の第４圧力Ｐ４は、第３副空間７１内の第２圧力Ｐ２よりも高い。この結果、第５シール５を介して第４副空間７２から第３副空間７１へ第４漏出Ｌ４が僅かに生じる。

第３の例示的実施形態における５つシールも、全てガス潤滑式メカニカルシールで実現される。第５シール５は、回転メカニカルシール５１、固定メカニカルシール５２、及びこれら回転及び固定メカニカルシールの間に配置された封止間隙５３を備える。

第３副空間７１内の第２圧力Ｐ２は、とりわけ圧力戻し路２６内の第２絞り装置２８を制御ユニット１０で制御することで制御可能である。ここで、前述の例示的実施形態で述べたように、第２副空間６２と第３副空間７１との圧力差は０又は０に近い。したがって、ここでも第２シール２を圧力差が０の状態で作動させることができるため、第２シール２を介する第２副空間６２から第３副空間７１への漏出が生じない。

図４は、本発明の第４の例示的実施形態に係る軸封装置１００を示す。ここで、第４の例示的実施形態は、第３の例示的実施形態と略同様である一方で、第３の例示的実施形態とは異なり、第５シール５と第３シール３とを共通シール１１０に一体化している。

図４からわかるように、共通シール１１０は、共通回転メカニカルシール１１１及び共通固定メカニカルシール１１２を備える。固定メカニカルシール１１２には送給路１１４が設けられており、固定メカニカルシール１１２の後側１１５からこれらのメカニカルシールの摺動面まで延設されている。ここで、第４副空間７２は、摺動面の領域に形成されている（図４を参照）。

供給路２５を介して供給される圧力媒体は、固定メカニカルシール１１２内の送給路１１４を通って第４副空間７２に案内される。第４副空間７２からは、大気側１６へ第２漏出Ｌ２が生じ、第３副空間７１へ第４漏出Ｌ４が生じる。

この配置は、第３及び第５シールを共通シール１１０に一体化できるため、軸方向の設置長さをより短くできるという特別な特徴を有する。他の点については、本例示的実施形態は第３の例示的実施形態と同様であるため、上記した第３実施形態の説明を参照されたい。

図４から更にわかるように、第２副空間６２内の圧力レベルを制御し且つこれにより第１副空間６１内の圧力レベルも制御するために、製品戻し路１８内に第３絞り装置２４が設けられている。

図５は、本発明の第５の例示的実施形態に係る軸封装置１００を示す。第５の例示的実施形態では、メカニカルシールの代わりに、径方向間隙シール１０１が第１シールとして設けられている。径方向間隙シール１０１は、軸８に対向する迷路部を有するラビリンスシールである。ここでも、径方向間隙シール１０１に生じる第１漏出Ｌ１が、製品側１５のより低圧の領域に案内される。

図６に示すように、図５のラビリンスシールではなく、周方向凹み８１を有するカーボンリングシール８０を代わりに用いることもできる。カーボンリングシール８０も径方向間隙シールであり、とりわけカーボンリングシール８０は費用対効果が高い形態で設けることが可能である。図６からわかるように、周方向凹みは、軸８の側面に対向し、好適にはカーボンリングシール８０の中央に形成される。

図７は、本発明の第６の例示的実施形態に係る軸封装置１００を示す。第６の例示的実施形態では、第２シール２が径方向間隙シール１０２で形成されている。第２シール２に隣接する２つの空間６及び７が同じ圧力レベルに維持されるため、第２シール２を介する漏出が生じない。第２シール２として用いられる径方向間隙シール１０２も、ラビリンスシールで実現される。或いは、図６に示したカーボンリングシール８０を用いることもできる。

図８は、本発明の第７の例示的実施形態に係る軸封装置１００を示す。第７の例示的実施形態は、図４に示した第４の例示的実施形態と略同様であるが、第１シール１及び第２シール２が径方向間隙シール１０１，１０２に置き換えられている。図８に示す第７の例示的実施形態では、径方向間隙シール１０１及び１０２が、いずれもラビリンスシールとして設けられている。代わりに、２つの径方向間隙シール１０１及び１０２を、図６に示すようにカーボンリングシールで実現することもできる。

図９は、本発明の第８の例示的実施形態に係る軸封装置１００を示す。第８の例示的実施形態は、図８に示した第７の例示的実施形態と略同様であるが、複数のメカニカルシールのうちの１つのみが径方向間隙シール１０１に置き換えられている。図９からわかるように、第１シール１が径方向間隙シール１０１として設けられている。本例示的実施形態の径方向間隙シール１０１もラビリンスシールとして設けられている。代わりに、図６に示すカーボンリングシールを用いることもできる。

なお、それぞれ少なくとも１つの径方向間隙シールを有する、図５〜図９で説明した軸封装置１００は、径方向間隙シールが、メカニカルシールよりも軸方向に短い設計であるという大きな利点がある。このため、軸８の軸方向Ｘ−Ｘにおける軸方向の設置空間を削減できる。特に、例えば発電所のタービンや圧縮機等の大型機械やその他の大型機器の分野における用途の場合、タービンや圧縮機の端部における利用可能な軸方向の設置空間は非常に限られている。このため、少なくとも１つの径方向間隙シールを用いることは、コスト面で大きな利点をもたらす。径方向間隙シールは、メカニカルシールと比べて運用が容易であり且つ堅牢性が高いという利点を更に有する。更に、径方向間隙シールは、メカニカルシールよりも費用対効果が遥かに高い。

まとめると、全ての例示的実施形態について、本発明により、軸封装置１００を作動させる方法も提供されるといえる。この方法では、製品側シール（シール１）と大気側シール（シール３）との間の中間シールである第２シール２を、圧力勾配が０又は０に近い状態で作動させる。この場合、中間シールは好適にはガス潤滑式メカニカルシールであり、好適にはダイヤモンドコーティングが施されている。或いは、中間シールは径方向間隙シールである。中間シールに隣接する２つの空間は、同じ圧力レベル（第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２）又は略同じ圧力レベルに維持される。具体的には、製品媒体の圧力媒体への漏出を回避して、製品媒体の流出を回避するために、制御ユニット１０により、常に圧力媒体の第２圧力Ｐ２を製品媒体の第１圧力Ｐ１よりも、必要最小限で高くしている。

本発明に係る本軸封装置は、複雑且つ高価な漏出物再循環システムの使用が不要となるという大きな利点を更に有する。第１〜第４の例示的実施形態で用いたメカニカルシールの一部を径方向間隙シールに置き換えることで、コストを更に削減できる。これにより、軸封装置の軸方向の設置空間が大幅に減り、機械の軸方向の構造がより短くなり、コストを更に大幅に削減できる。

１ 第１シール
２ 第２シール
３ 第３シール
４ 第４シール
５ 第５シール
６ 第１空間
７ 第２空間
８ 軸
９ タービン、圧縮機、ランナ
１０ 制御ユニット
１１ 回転メカニカルシール
１２ 固定メカニカルシール
１３ 封止間隙
１５ 製品側
１６ 大気側
１７ 製品供給路
１８ 製品戻し路
２１ 回転メカニカルシール
２２ 固定メカニカルシール
２３ 封止間隙
２４ 第３絞り装置
２５ 圧力供給路
２６ 圧力戻し路
２７ 第１絞り装置
２８ 第２絞り装置
２９ センサ
３１ 回転メカニカルシール
３２ 固定メカニカルシール
３３ 封止間隙
４１ 回転メカニカルシール
４２ 固定メカニカルシール
４３ 封止間隙
５１ 回転メカニカルシール
５２ 固定メカニカルシール
５３ 封止間隙
６１ 第１副空間
６２ 第２副空間
７１ 第３副空間
７２ 第４副空間
８０ カーボンリングシール
８１ 周方向凹み
９０ 圧縮機
１００ 軸封装置
１０１ 径方向間隙シール
１０２ 径方向間隙シール
１１０ 共通シール
１１１ 共通回転メカニカルシール
１１２ 共通固定メカニカルシール
１１４ 送給路
１１５ 共通固定メカニカルシールの後側
ＰＰ 製品側の圧力
ＰＡ 大気側の圧力
Ｌｌ 製品側への第１漏出
Ｌ２ 大気側への第２漏出
Ｌ３ 第３漏出
Ｌ４ 第４漏出
Ｐ１ 第１圧力
Ｐ２ 第２圧力
Ｐ３ 第３圧力
Ｐ４ 第４圧力
Ｘ−Ｘ 軸方向

Claims (18)

1. 封止対象の製品側（１５）と大気側（１６）との間に並んで配置された第１シール（１）、第２シール（２）、及び第３シール（３）を備え、
   前記第２シール（２）が前記第１シール（１）と前記第３シール（３）との間に配置され、
   前記第２シール（２）の前記製品側（１５）に隣接する空間（６；６１）が内部に第１圧力（Ｐ１）を有し、前記第２シール（２）の前記大気側（１６）に隣接する空間（７；７１）が内部に第２圧力（Ｐ２）を有し、
   前記大気側（１６）に隣接する前記空間（７；７１）が、当該空間に圧力媒体を供給可能とする圧力供給路（２５）に接続され、
   前記第１圧力（Ｐ１）が前記第２圧力（Ｐ２）と等しい又は略等しく、前記第１圧力（Ｐ１）と前記第２圧力（Ｐ２）との圧力差が０の状態で前記第２シール（２）を作動させることができる
   軸封装置。
2. 前記第２シール（２）が、回転メカニカルシール（２１）及び固定メカニカルシール（２２）を有するガス潤滑式メカニカルシールであることを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。
3. 前記第２シール（２）が、そのメカニカルシールの少なくとも１つにダイヤモンドコーティングが施されていることを特徴とする請求項２記載の軸封装置。
4. 全ての前記シールが、ガス潤滑式メカニカルシールであ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軸封装置。
5. 前記第２シール（２）が、径方向間隙シールであり、具体的には、ラビリンスシール又はカーボンリングシールであることを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。
6. 前記第１シール（１）が、径方向間隙シールであり、具体的には、ラビリンスシール又はカーボンリングシールであ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軸封装置。
7. 前記圧力供給路（２５）を介して供給される前記圧力媒体が空気又は窒素であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸封装置。
8. 制御ユニット（１０）と、
   前記圧力供給路（２５）内に配置され且つ前記制御ユニット（１０）に接続された第１絞り装置（２７）と
   を更に備え、
   前記制御ユニット（１０）が、前記第１圧力（Ｐ１）に応じて前記第１絞り装置（２７）を開閉させることによって前記第２圧力（Ｐ２）を制御するように構成されている
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の軸封装置。
9. 前記第２シール（２）の前記大気側（１６）の前記空間（７；７１）から分岐する圧力戻し路（２６）を更に備える請求項８に記載の軸封装置。
10. 第２絞り装置（２８）が前記圧力戻し路内に配置され且つ前記制御ユニット（１０）に接続され、
    前記制御ユニット（１０）が、前記第１圧力（Ｐ１）に応じて前記第２絞り装置（２８）を開閉させることによって前記第２圧力（Ｐ２）を制御するように構成されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の軸封装置。
11. 前記第１シール（１）と前記第２シール（２）との間に配置された第４シール（４）を更に備え、
    前記第４シール（４）により、前記第１シール（１）と前記第４シール（４）との間に第１副空間（６１）が画成され、前記第４シール（４）と前記第２シール（４）との間に第２副空間（６２）が画成され、
    前記第１副空間（６１）が前記製品側に接続され、製品戻し路（１８）が前記第２副空間（６２）から処理に戻るように延設され、
    前記第１副空間（６１）が、前記第２副空間内の圧力よりも高い第３圧力（Ｐ３）を内部に有し、
    前記第２副空間が内部に前記第１圧力（Ｐ１）を有し、
    前記第２空間内の前記第２圧力（Ｐ２）が、前記第１圧力（Ｐ１）と等しい又は略等しい
    請求項９又は１０に記載の軸封装置。
12. 前記第２シール（２）と前記第３シール（３）との間に配置された第５シール（５）を更に備え、
    前記第５シール（５）と前記第２シール（２）との間に第３副空間（７１）が画成され、前記第５シール（５）と前記第３シール（３）との間に第４副空間（７２）が画成され、
    前記第３副空間（７１）が内部に前記第２圧力（Ｐ２）を有し、前記第４副空間（７２）が前記圧力供給路（２５）に接続され、前記圧力戻し路（２６）が前記第３副空間（７１）から分岐し、前記第４副空間（７２）が内部に前記第２圧力（Ｐ２）よりも高い第４圧力（Ｐ４）を有する
    請求項１１に記載の軸封装置。
13. 前記第３シール（３）と前記第５シール（５）とが共通シール（１１０）に一体化され、
    前記共通シール（１１０）が共通回転メカニカルシール（１１１）及び共通固定メカニカルシール（１１２）を有し、
    前記固定メカニカルシール（１１２）内に、その後側（１１５）から前記メカニカルシールの摺動面まで送給路（１１４）が延設され、
    前記送給路（１１４）が、前記圧力供給路（２５）に接続され、
    前記第４副空間（７２）が、前記送給路（１１４）の端部で前記２つのメカニカルシール（１１１，１１２）の摺動面に配置されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の軸封装置。
14. 第３絞り装置（２４）が前記製品戻し路（１８）内に配置され且つ前記制御ユニット（１０）に接続され、
    前記制御ユニット（１０）が、前記第３絞り装置（２４）を開閉させることにより前記第１圧力（Ｐ１）を制御するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の軸封装置。
15. 封止対象の軸（８）と、
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載の軸封装置（１００）と
    を備える、具体的にはタービン又は圧縮機である流体機械。
16. 軸（８）に並んで配置される第１シール（１）、第２シール（２）、及び第３シール（３）を備える軸封装置（１００）を作動させる方法において、
    前記第１シール（１）と前記第２シール（２）との間に第１空間（６）を画成し且つ前記第２シール（２）と前記第３シール（３）との間に第２空間（７）を画成し、
    封止対象の製品媒体を前記第１空間（６）に供給し且つ加圧された圧力媒体を前記第２空間（７）に供給し、
    前記第１空間（６）内の第１圧力（Ｐ１）が第２圧力（Ｐ２）と等しくなる又は前記第１圧力（Ｐ１）が前記第２空間（７）内の第２圧力（Ｐ２）と略等しくなるように前記第１空間（６）及び前記第２空間（７）内の圧力を制御して、前記第１圧力（Ｐ１）と前記第２圧力（Ｐ２）との間に圧力勾配が無い又は最小限に抑えられた状態で前記第２シール（２）を作動させられるようにする方法。
17. 前記第２圧力（Ｐ２）を、前記第１圧力（Ｐ１）に応じて絞り装置（２７，２８）で制御することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記製品媒体の前記第１圧力（Ｐ１）を、前記製品側（１５）からの抽出後に、絞り装置（２４）で制御することを特徴とする請求項１６又は１７に記載の方法。

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