JP6925959B2 - 軸シール装置および回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、軸シール装置および回転電機に関する。

回転電機は、タービン発電機などの機器であって、たとえば、回転子が固定子の内部において回転するように構成されている。タービン発電機などの回転電機においては、たとえば、水素ガスが内部に封入されており、その封入された水素ガスが回転子および固定子を冷却する冷却用ガスとして用いられる。回転電機においては、水素ガスなどの冷却用ガスが外部へ漏洩することを防止するために、軸シール装置が設けられている。

関連技術に係る回転電機１について図１２を用いて説明する。図１２において、横方向は、水平方向（ｘ）であって、回転電機１を構成する回転子の回転中心軸ＡＸに沿った軸方向に実質的に相当する。そして、図１２において、縦方向は、鉛直方向（ｚ）であって、回転中心軸ＡＸの径方向の一部に実質的に相当する。

回転電機１は、図１２に示すように、回転電機ケーシング３を貫通するように回転シャフト４が設けられていると共に、回転電機ケーシング３と回転シャフト４との間に軸シール装置１０Ｊが設けられている。

回転電機１において、回転電機ケーシング３は、機内側ＩＮ（内側）に設けられたガス室に冷却用ガスが封入されている。回転電機ケーシング３において、機内側ＩＮの圧力Ｐ_ＩＮは、機外側ＯＴ（外側）の圧力Ｐ_ＯＵＴ（大気圧）よりも高い（Ｐ_ＩＮ＞Ｐ_ＯＵＴ）。また、回転電機ケーシング３の内部には、固定子（図示省略）が設けられている。固定子は、固定子鉄心（図示省略）に固定子コイル（図示省略）が設置されている。

回転シャフト４は、外形が円柱形状であって、回転中心軸ＡＸに沿った軸方向が水平方向（ｘ）に沿うように軸受（図示省略）に回転自在に支持されている。回転シャフト４には、回転子（図示省略）が設けられている。回転子は、回転子鉄心（図示省略）に回転子コイル（図示省略）が設置されている。回転子は、たとえば、固定子の内部に収容されており、回転シャフト４と共に回転することによって、たとえば、発電が行われる。回転電機ケーシング３の内部において、回転子および固定子は、回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに封入された冷却用ガスを用いて冷却される。たとえば、回転子に形成された回転子冷却流路（図示省略）および固定子に形成された固定子冷却流路（図示省略）を冷却用ガスが流れることによって、回転子の冷却および固定子の冷却が行われる。

軸シール装置１０Ｊは、回転電機ケーシング３の内部に冷却用ガスを密封するために設けられている。軸シール装置１０Ｊは、静止体であって、回転電機ケーシング３に設置されている。軸シール装置１０Ｊは、回転シャフト４と、その回転シャフトの周りに設けられた回転電機ケーシング３との間を介して、回転電機ケーシング３の機内側ＩＮから機外側ＯＴに冷却用ガスが漏洩することを防止するように構成されている。

関連技術に係る回転電機１の軸シール装置１０Ｊの一例に関して、図１３を用いて説明する。図１３では、鉛直面（ｘｚ面）の断面を拡大して示している。図１３においては、横方向（ｘ）が軸方向に相当し、縦方向（ｚ）が径方向の一部に相当する。

図１３に示すように、軸シール装置１０Ｊは、フローティング型であって、シールケーシング２０の内部にシールリング３０とコイルスプリング８０が収容されている。軸シール装置１０Ｊを構成する各部の詳細について順次説明する。

シールケーシング２０は、環状体であって、回転シャフト４の周囲に設けられている。つまり、シールケーシング２０は、回転シャフト４の外周面よりも径方向（ｚ）の外側において、回転方向Ｔ（周方向）に囲うように設置されている。そして、シールケーシング２０の内周面Ｐ２０と回転シャフト４の外周面Ｐ４との間には空隙Ｇが介在している。

シールケーシング２０の内部には、シールケーシング室２１が形成されている。そして、シールケーシング２０においてシールケーシング室２１よりも径方向（ｚ）の外側には、油流入口２１１が形成されている。油流入口２１１は、シールケーシング室２１に連通している。シールケーシング２０においては、油流入口２１１からシールケーシング室２１に密封油ＳＯが供給される。詳細については後述するが、冷却用ガスよりも圧力が高い密封油ＳＯが供給される。

また、シールケーシング２０は、シールケーシング室２１よりも径方向（ｚ）の内側にシールケーシング開口２２が形成されている。シールケーシング開口２２は、シールケーシング室２１に連通している。ここでは、シールケーシング開口２２は、軸方向（ｘ）の幅がシールケーシング室２１よりも狭くなるように構成されている。

シールリング３０は、環状体であって、回転シャフト４の周りを囲うように、シールケーシング２０のシールケーシング室２１に収容されている。つまり、シールリング３０は、シールケーシング２０と同様に、回転シャフト４の外周面よりも径方向（ｚ）の外側において、回転方向Ｔに囲うように構成されている。

シールリング３０において、径方向（ｚ）の外側に位置する部分と径方向（ｚ）の内側に位置する部分とのそれぞれは、軸方向（ｘ）の幅が異なっている。ここでは、軸方向（ｘ）の幅は、径方向（ｚ）の外側に位置する部分の方が、径方向（ｚ）の内側に位置する部分よりも広くなるように構成されている。

シールリング３０において径方向（ｚ）の外側に位置する部分は、シールケーシング室２１の内部に収容されている。そして、シールリング３０において径方向（ｚ）の内側に位置する部分が、シールケーシング開口２２を貫通している。

図示を省略しているが、シールリング３０は、上半部と下半部とを備え、上半部と下半部との間がボルト等の締結部材を用いて締付けられて連結されている。

シールリング３０は、機内側シールリング部材３０ａと、機外側シールリング部材３０ｂとを含む。機内側シールリング部材３０ａは、回転電機１において回転電機ケーシング３の内側である機内側ＩＮに位置している。これに対して、機外側シールリング部材３０ｂは、回転シャフト４の軸方向（ｘ）において機内側シールリング部材３０ａよりも回転電機ケーシング３の外側である機外側ＯＴに位置している。機内側シールリング部材３０ａと機外側シールリング部材３０ｂとは、軸方向（ｘ）に並ぶように配置されている。機内側シールリング部材３０ａと機外側シールリング部材３０ｂとの間には、リング間隙ＲＧが介在している。そして、機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間にシール間隙ＳＧが介在していると共に、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間にシール間隙ＳＧが介在している。

ここでは、機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａは、全体が回転シャフト４の外周面Ｐ４に沿った平坦な面である。同様に、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂは、全体が回転シャフト４の外周面Ｐ４に沿った平坦な面である。

リング間隙ＲＧにおいて、径方向（ｚ）の外側に位置する部分は、テーパー状であって、軸方向（ｘ）の幅が径方向（ｚ）の外側から内側へ向かって狭くなるように形成されている。そして、リング間隙ＲＧにおいて、径方向（ｚ）の内側に位置する部分は、軸方向（ｘ）の幅が一定である。

コイルスプリング８０は、回転シャフト４の周囲に位置するようにシールケーシング２０のシールケーシング室２１に収容されている。コイルスプリング８０は、シールリング３０を径方向（ｚ）の内周側へ付勢している。

具体的には、コイルスプリング８０は、シールケーシング室２１に収容されている。ここでは、コイルスプリング８０は、シールリング３０のリング間隙ＲＧにおいて径方向（ｚ）の外周側に位置するテーパー形状部分に設けられている。コイルスプリング８０は、機内側シールリング部材３０ａと、機外側シールリング部材３０ｂとのそれぞれに対して、径方向（ｚ）の内側へ付勢している。これと共に、コイルスプリング８０は、機内側シールリング部材３０ａに対しては、軸方向（ｘ）において機内側ＩＮへ向かうように付勢しており、機外側シールリング部材３０ｂに対しては、軸方向（ｘ）において機外側ＯＴへ向かうように付勢している。

図示を省略しているが、コイルスプリング８０は、シールリング３０の上半部を付勢していると共に、他のコイルスプリング８０がシールリング３０の下半部が付勢するように構成されている。シールリング３０の上半部を付勢するコイルスプリング８０の付勢力とシールリング３０の下半部を付勢するコイルスプリング８０の付勢力は、互いに異なっている。一般的には、シールリング３０を支持するために、シールリング３０の下半部を付勢するコイルスプリング８０の付勢力の方が、シールリング３０の上半部を付勢するコイルスプリング８０の付勢力よりも大きい。

上記した軸シール装置１０Ｊの動作について説明する。

回転電機１の運転が実行される際には、シールケーシング２０の内部に密封油ＳＯが供給源（図示省略）から供給される。シールケーシング２０においては、油流入口２１１を介してシールケーシング室２１に密封油ＳＯが供給される。密封油ＳＯは、回転電機ケーシング３の内部に封入される冷却用ガスよりも高い圧力でシールケーシング２０の内部に供給される。密封油ＳＯの圧力は、たとえば、冷却用ガスの圧力よりも０．０５ＭＰａ程度大きい。これにより、軸シール装置１０Ｊにおいては、シールリング３０に対して、コイルスプリング８０の付勢力と、密封油ＳＯの圧力とを合わせた合力が加えられる。

具体的には、シールリング３０においては、軸方向（ｘ）の合力Ｆｘと、径方向（ｚ）の合力Ｆｒとのそれぞれが加わる。ここでは、機内側シールリング部材３０ａは、軸方向（ｘ）において機内側ＩＮへ向かうように、軸方向（ｘ）の合力Ｆｘが加わる。同様に、機外側シールリング部材３０ｂは、軸方向（ｘ）において機外側ＯＴへ向かうように、軸方向（ｘ）の合力Ｆｘが加わる。その結果、シールリング３０のうち径方向（ｚ）の内側に位置する部分は、シールケーシング２０のうち径方向（ｚ）の内側であってシールケーシング開口２２が形成された部分に密着する。つまり、機内側シールリング部材３０ａにおいて機内側ＩＮに位置する側面Ｓ３０ａが、シールケーシング開口２２において機内側ＩＮに位置する側面Ｓ２２ａに密着する。これと共に、機外側シールリング部材３０ｂにおいて機外側ＯＴに位置する側面Ｓ３０ｂが、シールケーシング開口２２において機外側ＯＴに位置する側面Ｓ２２ｂに密着する。

上記の他に、機内側シールリング部材３０ａ、および、機外側シールリング部材３０ｂには、径方向（ｚ）において内側へ向かうように、径方向（ｚ）の合力Ｆｒが加わる。その結果、シールリング３０は、シールケーシング２０に密着した状態で、径方向（ｚ）に摺動する。

軸シール装置１０Ｊにおいて、密封油ＳＯは、シールケーシング室２１に供給された後には、シールケーシング室２１からシールリング３０のリング間隙ＲＧを流入する。リング間隙ＲＧを流入した密封油ＳＯは、機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に介在しているシール間隙ＳＧ、および、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に介在しているシール間隙ＳＧに供給される。これにより、シール間隙ＳＧにおいては、密封油ＳＯの油膜が形成される。その結果、軸シール装置１０Ｊは、冷却用ガスが機内側ＩＮから機外側ＯＴへ漏洩しないように、冷却用ガスを機内側ＩＮへ封止することができる。なお、シール間隙ＳＧに形成された油膜の圧力によって、シールリング３０が外周側に押される。このため、シールリング３０と回転シャフト４との間において、シール間隙ＳＧが保持された状態になる。

フローティング型の軸シール装置１０Ｊでは、回転シャフト４の回転に起因して軸受反力等の力が生ずるため、シールリング３０が回転シャフト４に対して偏心する場合がある。この場合、シール間隙ＳＧに形成された油膜で発生する圧力によって、シールリング３０が径方向（ｚ）に移動する。その結果、軸シール装置１０Ｊでは、回転シャフト４の回転中心軸ＡＸとシールリング３０の中心軸とが一致した同芯状態になるように、自動的に調芯が行われる。

たとえば、回転シャフト４が上方に移動した場合には、回転シャフト４よりも上側に位置するシール間隙ＳＧでは油膜の圧力が上昇するので、回転シャフト４よりも上側に位置するシールリング３０は、上方に移動する。このとき、回転シャフト４よりも下側に位置するシール間隙ＳＧでは油膜の圧力が低下するので、回転シャフト４よりも下側に位置するシールリング３０は、コイルスプリング８０の付勢力によって上方に移動する。すなわち、回転シャフト４が移動したときには、シールリング３０も回転シャフト４に追従して移動する。このため、上記したように、自動的な調芯が実行される。

既に述べたように、フローティング型の軸シール装置１０Ｊにおいて、シールリング３０は、機内側シールリング部材３０ａと機外側シールリング部材３０ｂとのそれぞれが、軸方向（ｘ）においてシールケーシング２０に密着した状態で、径方向（ｚ）に摺動する。このため、シールケーシング２０とシールリング３０との間において摩擦が生ずるので、両者の間において局所的に温度が上昇し、焼付きが発生する可能性がある。その結果、自動的な調芯が行われず、冷却用ガスの封止が不十分になる場合がある。

上記の課題に対応するために、さまざまな技術が提案されている。たとえば、圧力効果を高めるためにシールリング３０の内周面に螺旋形状などの溝を設けて圧力効果を高めること、シールケーシング２０の被摺動面に摩擦係数が小さいコーティング層を形成することなどが提案されている。

特開平７−７５２９１号公報 特開平１０−１４１５８号公報 特開平６−１９３７４３号公報

佐野貴彦、外５名、「タービン発電機水素シール部を要因としたラビング振動抑制技術」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、２０１０年７月、第７６巻、第７６７号、ｐ１６５５−１６６１

しかしながら、回転電機１の大容量化に伴い、回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに封入される冷却用ガスは、圧力が高くなってきている。これに伴って、シールケーシング２０の内部に供給される密封油ＳＯも同様に、圧力が高められている。これにより、シールリング３０がシールケーシング２０を押すときの押圧力が高まるので、シールリング３０とシールケーシング２０との間に生じる摩擦力が増大している。その結果、自動的な調芯が行われず、冷却用ガスの封止が不十分になる場合がある。

上記したように、回転電機１の回転電機ケーシング３において冷却用ガスが封入された機内側ＩＮの圧力Ｐ_ＩＮは、回転電機ケーシング３の外部に位置する機外側ＯＴの圧力Ｐ_ＯＵＴ（大気圧）よりも高い。このため、軸シール装置１０Ｊにおいて密封油ＳＯが供給されたシールケーシング室２１の圧力Ｐ_Ｓと回転電機ケーシング３の機外側ＯＴの圧力Ｐ_ＯＵＴとの差（ΔＰｂ）は、シールケーシング室２１の圧力Ｐ_Ｓと機内側ＩＮの圧力Ｐ_ＯＵＴとの差（ΔＰａ）よりも大きい（ΔＰｂ＞ΔＰａ）。これにより、機外側シールリング部材３０ｂと回転シャフト４との間においては、機内側シールリング部材３０ａと回転シャフト４との間よりも密封油ＳＯが外部へ移動しやすい状態であるため、油膜の形成が不十分になる場合がある。その結果、機内側シールリング部材３０ａでは自動的な調芯が適正に行われる場合であっても、機外側シールリング部材３０ｂでは自動的な調芯が適正に行われない場合がある。すなわち、機内側シールリング部材３０ａの追随性よりも機外側シールリング部材３０ｂの追随性が低い。その結果、冷却用ガスの封止が不十分になる場合がある。特に、冷却用ガスの高圧化に伴って、この課題が顕在化してきている。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、冷却用ガスの封止を効果的に実行可能な軸シール装置および回転電機を提供することである。

実施形態の軸シール装置は、冷却用ガスが封入された内部の圧力が外部の圧力よりも高い回転電機ケーシングと、回転電機ケーシングを貫通する回転シャフトとの間に設置されており、回転電機ケーシングの内部に冷却用ガスを密封する。軸シール装置は、冷却用ガスよりも圧力が高い密封油が供給されるシールケーシング室が内部に形成されているシールケーシングと、シールケーシング室に収容されているシールリングとを有する。シールリングは、機内側シールリング部材と、回転シャフトの軸方向において機内側シールリング部材よりも回転電機ケーシングの外側に位置している機外側シールリング部材とを含む。機内側シールリング部材と機外側シールリング部材との間にリング間隙が介在している。これと共に、機内側シールリング部材の内周面と回転シャフトの外周面との間、および、機外側シールリング部材の内周面と回転シャフトの外周面との間にシール間隙が介在している。機内側シールリング部材の内周面は、全体が回転シャフトの外周面に沿った平坦な面であるのに対して、機外側シールリング部材の内周面には、回転シャフトの回転方向に沿って延在するポケット溝が形成されている。機外側シールリング部材の内周面には、シールケーシング室からポケット溝に密封油を導入する導入溝が形成されており、導入溝は、回転方向においてポケット溝よりも後方側に位置している。密封油は、シールケーシング室からリング間隙を介してシール間隙に供給される。これと共に、密封油は、シールケーシング室からポケット溝に供給される。

図１は、第１実施形態に係る回転電機において、軸シール装置の要部を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る回転電機において、軸シール装置の要部を示す図である。 図３は、第１実施形態に係る回転電機において、軸シール装置の要部を示す図である。 図４は、第１実施形態に係る軸シール装置のシールリングにおいて、ポケット溝および導入部に導入された密封油の圧力分布を示す図である。 図５は、第１実施形態に係る軸シール装置のシールリングにおいて、ポケット溝および導入部に導入された密封油の圧力分布を示す図である。 図６は、第１実施形態に係る軸シール装置のシールリングにおいて、ポケット溝および導入部に導入された密封油の圧力分布を示す図である。 図７は、第２実施形態に係る回転電機において、軸シール装置の要部を示す断面図である。 図８は、第２実施形態の変形例に係る軸シール装置の要部を示す図である。 図９は、第３実施形態に係る回転電機において、軸シール装置の要部を示す図である。 図１０は、第３実施形態に係る回転電機において、軸シール装置の要部を示す図である。 図１１は、第４実施形態に係る回転電機において、軸シール装置が設けられた部分を示す図である。 図１２は、関連技術に係る回転電機の要部を示す部分断面図である。 図１３は、関連技術に係る回転電機において、軸シール装置の要部を示す図である。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る軸シール装置１０に関して、図１、図２、および、図３を用いて説明する。

図１では、図１３と同様に、軸シール装置１０について鉛直面（ｘｚ面）の断面を示している。図２では、軸シール装置１０を構成するシールリング３０の内周面を示している。図２において、縦方向は、実質的に回転中心軸ＡＸに沿った軸方向（ｘ）に相当し、上側が機内側ＩＮであり、下側が機外側ＯＴである。そして、図２において、横方向は、実質的に回転方向Ｔに相当し、左側が回転方向Ｔの前方側Ｆｗであり、右側が後方側Ｂｗである。図３では、軸シール装置１０について、図２のＸ−Ｘ部分の断面を示している。図３において、縦方向は、実質的に径方向（ｚ）に相当し、横方向は、実質的に回転方向Ｔに相当する。

図１、および、図２に示すように、軸シール装置１０は、上記した関連技術の場合（図１３参照）と同様に、シールリング３０が機内側シールリング部材３０ａと機外側シールリング部材３０ｂとを有し、機内側シールリング部材３０ａと機外側シールリング部材３０ｂとがリング間隙ＲＧを介して軸方向（ｘ）に並ぶように配置されている。

機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａは、上記した関連技術の場合と同様に、全体が回転シャフト４の外周面Ｐ４に沿った平坦な面である。しかしながら、本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂは、上記した関連技術の場合と異なり、全体が回転シャフト４の外周面Ｐ４に沿った平坦な面ではない。このように、本実施形態の軸シール装置１０は、上記した関連技術に対して、シールリング３０の形態の一部が異なっている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、上記した関連技術の場合と同様である。このため、本実施形態において上記関連技術と重複する事項については適宜説明を省略する。

本実施形態において、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂには、上記した関連技術の場合と異なり、ポケット溝４０および導入部５０が形成されている（図１、図２、図３参照）。ポケット溝４０および導入部５０のそれぞれは、回転方向Ｔにおいて、複数、形成されている。

ポケット溝４０は、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂにおいて、回転方向Ｔに沿って延在するように形成された溝である。ここでは、ポケット溝４０は、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂのうち、回転方向Ｔにおいて導入部５０よりも前方側Ｆｗに位置している。また、ポケット溝４０は、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂのうち、軸方向（ｘ）の中央部分に位置している。ポケット溝４０の底面Ｐ４０は、径方向（ｚ）において回転シャフト４の外周面Ｐ４に対して間隙を介して対面している。

ポケット溝４０の底面Ｐ４０と回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に位置する間隙の距離Ｈ１は、回転方向Ｔにおいて一定になるように形成されている。

また、ポケット溝４０において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ４０は、軸方向（ｘ）および径方向（ｚ）に沿っている。

導入部５０は、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂにおいて、ポケット溝４０よりも回転方向Ｔの後方側Ｂｗに位置している。導入部５０は、シールケーシング室２１に供給された密封油ＳＯをポケット溝４０に導入するために設けられている。ここでは、導入部５０は、導入溝５１および導入孔５３を備えており、導入孔５３と導入溝５１とを順次介して密封油ＳＯをポケット溝４０に導入するように構成されている。

導入部５０のうち、導入溝５１は、回転方向Ｔにおいてポケット溝４０よりも後方側Ｂｗに位置しており、ポケット溝４０に連通している。導入溝５１は、ポケット溝４０と同様に、機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａにおいて、軸方向（ｘ）の中央部分に位置しており、軸方向（ｘ）の幅がポケット溝４０と同じになるように形成されている。

導入溝５１は、径方向（ｚ）において回転シャフト４の外周面Ｐ４に対して間隙を介して対面する底面Ｐ５１を備えている。導入溝５１は、導入溝５１の底面Ｐ５１と回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に位置する間隙の距離Ｈ２が、回転方向Ｔにおいて一定になるように形成されている。導入溝５１の底面Ｐ５１と回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に位置する間隙の距離Ｈ２は、ポケット溝４０の底面Ｐ４０と回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に位置する間隙の距離Ｈ１よりも長い。つまり、導入溝５１は、ポケット溝４０よりも深くなるように形成されている。

また、導入溝５１において、回転方向Ｔの後方側Ｂｗに位置する端面Ｓ５１ａ（上流側端面）が軸方向（ｘ）および径方向（ｚ）に沿っている。同様に、導入溝５１において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ５１ｂ（下流側端面）も軸方向（ｘ）および径方向（ｚ）に沿っている。

導入部５０のうち、導入孔５３は、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂにおいて、径方向（ｚ）に貫通する孔である。導入孔５３は、油入口５３Ａと油出口５３Ｂとを有し、密封油ＳＯが油入口５３Ａに流入し、油出口５３Ｂから密封油ＳＯが流出するように構成されている。

導入孔５３の油入口５３Ａは、たとえば、円形状であって、機外側シールリング部材３０ｂの外周面Ｐ３１ｂに設けられている。

導入孔５３の油出口５３Ｂは、導入孔５３の油入口５３Ａと同様に、たとえば、円形状である。油出口５３Ｂは、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂに形成されており、導入溝５１に連通している。油出口５３Ｂは、導入溝５１において回転方向Ｔの後方側Ｂｗに位置している。ここでは、油出口５３Ｂにおいて回転方向Ｔの後方側Ｂｗに位置する端部が、導入溝５１において回転方向Ｔの後方側Ｂｗに位置する端面Ｓ５１ａに一致するように、油出口５３Ｂが形成されている。

上記した軸シール装置１０の動作について説明する。

軸シール装置１０において、密封油ＳＯは、シールケーシング室２１に供給された後には、上記した関連技術の場合と同様に、シールケーシング室２１からシールリング３０のリング間隙ＲＧを流入する。リング間隙ＲＧを流入した密封油ＳＯは、シールリング３０の内周面Ｐ３０と回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に介在するシール間隙ＳＧに供給される。具体的には、機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に介在するシール間隙ＳＧに密封油ＳＯが供給されると共に、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に介在するシール間隙ＳＧに密封油ＳＯが供給される。これにより、シール間隙ＳＧにおいては、密封油ＳＯの油膜が形成される。

上述したように、軸シール装置１０Ｊにおいて密封油ＳＯが供給されたシールケーシング室２１の圧力と回転電機ケーシング３の機外側ＯＴの圧力との差（ΔＰｂ）は、シールケーシング室２１の圧力と機内側ＩＮの圧力との差（ΔＰａ）よりも大きい（ΔＰｂ＞ΔＰａ）。このため、機外側シールリング部材３０ｂと回転シャフト４との間においては、機内側シールリング部材３０ａと回転シャフト４との間よりも密封油ＳＯが外部へ移動しやすい状態であるので、密封油ＳＯの油膜が十分に形成されない場合がある。その結果、機外側シールリング部材３０ｂにおいては、機内側シールリング部材３０ａの場合よりも、自動的な調芯が不十分になる場合がある。

しかしながら、本実施形態において、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂには、ポケット溝４０および導入部５０が形成されており、密封油ＳＯが導入部５０を介してポケット溝４０に供給されるため、機外側シールリング部材３０ｂも機内側シールリング部材３０ａと同様に自動的な調芯が適正に行われる。

具体的には、機外側シールリング部材３０ｂにおいては、シールケーシング室２１に供給された密封油ＳＯは、上記した関連技術の場合と異なり、導入孔５３を通過した後に導入溝５１に流入する。そして、その導入溝５１に流入した密封油ＳＯが、ポケット溝４０に導入される。このため、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に介在するシール間隙ＳＧに密封油ＳＯが更に供給されるので、油膜が十分に形成される。その結果、軸シール装置１０においては、機外側シールリング部材３０ｂも機内側シールリング部材３０ａと同様に自動的な調芯が適正に行われ、密封性能が向上する。

上記の作用および効果に関して、図４、図５、および、図６を用いて更に詳細に説明する。

図４、図５、および、図６では、機外側シールリング部材３０ｂにおいてポケット溝４０および導入部５０に導入された密封油ＳＯの圧力分布を示している。図４では、図２に示すＸ−Ｘ部分の断面（図３と同様）を上段に示していると共に、その断面における密封油ＳＯの圧力分布を下段に示している。図４において下段に示す圧力分布は、縦軸が圧力Ｐ（圧力）であり、横軸が回転方向Ｔの位置である。図５は、図４に示すｒ０部分（導入溝５１において回転方向Ｔの後方側Ｂｗに位置する端面Ｓ５１ａ））における圧力分布を示しており、縦軸が圧力Ｐ（圧力）であり、横軸が軸方向（ｘ）の位置である。図６は、図４に示すｒ１部分（導入溝５１において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ５１ｂ）における圧力分布を示しており、縦軸が圧力Ｐ（圧力）であり、横軸が軸方向（ｘ）の位置である。図５および図６の横軸のうち、ｂ２は、導入溝５１においてリング間隙ＲＧ側に位置する一端面の位置であり、ｂ１は、導入溝５１においてリング間隙ＲＧ側に対して反対側に位置する他端面の位置である。

機外側シールリング部材３０ｂにおいて、密封油ＳＯは、導入孔５３から、導入孔５３よりも流路面積が広い導入溝５１へ流入する（図４参照）。ここでは、導入溝５１において回転方向Ｔの後方側Ｂｗに位置する端面Ｓ５１ａ（ｒ０部分）側に導入孔５３が形成されている。このため、端面Ｓ５１ａ（ｒ０部分）側では、密封油ＳＯの流量が増大し、密封油ＳＯの圧力Ｐが低下せずに導入溝５１に導入される。

図５に示すように、導入溝５１において回転方向Ｔの後方側Ｂｗに位置する端面Ｓ５１ａ（ｒ０部分）では、密封油ＳＯの圧力Ｐは、導入溝５１の内部（ｂ１からｂ２の範囲）の方が、導入溝５１の周囲（ｂ１からｂ２の範囲以外）に比べて高くなっている。導入溝５１の内部における密封油ＳＯの圧力Ｐは、軸方向（ｘ）において均一に分布している。

導入溝５１において、密封油ＳＯは、回転シャフト４の回転方向Ｔに沿って流れる。つまり、導入溝５１において、密封油ＳＯは、回転方向Ｔにおいて後方側Ｂｗに位置する端面Ｓ５１ａ（ｒ０部分）側から前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ５１ｂ（ｒ１部分）側へ流れる（図４参照）。このとき、密封油ＳＯの圧力Ｐは、回転方向Ｔに沿って上昇する。

図６に示すように、導入溝５１において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ５１ｂ（ｒ１部分）では、密封油ＳＯの圧力Ｐは、導入溝５１の内部（ｂ１からｂ２の範囲）の方が、導入溝５１の周囲（ｂ１からｂ２の範囲以外）に比べて高くなっている。導入溝５１の内部における密封油ＳＯの圧力Ｐは、軸方向（ｘ）において均一に分布している。

上記のように、機外側シールリング部材３０ｂでは、導入溝５１に導入された密封油ＳＯの圧力Ｐが、導入溝５１の周囲に形成された油膜の圧力よりも高い。その結果、導入溝５１の周囲に形成された油膜を構成する密封油ＳＯが機内側ＩＮから導入溝５１に混入しにくい。したがって、回転電機１の内部に封入された冷却用ガスが、導入溝５１を通って漏洩しにくい。

その後、導入溝５１に供給された密封油ＳＯは、ポケット溝４０に導入される。ポケット溝４０において、密封油ＳＯは、回転シャフト４の回転方向Ｔに沿って流れる。密封油ＳＯが導入溝５１から導入されたときには、密封油ＳＯの圧力Ｐは、回転方向Ｔに沿って低下する。ポケット溝４０において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ４０（ｒ２部分）に密封油ＳＯが到達したときには、密封油ＳＯは、運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。このため、密封油ＳＯの圧力Ｐは、回転方向Ｔに沿って低下した後に、ポケット溝４０において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ４０側に近づくに伴って上昇する。これにより、機外側シールリング部材３０ｂは、機内側シールリング部材３０ａの場合と異なり、ポケット溝４０における密封油ＳＯの圧力が更に作用するので、機内側シールリング部材３０ａの場合よりも径方向（ｚ）の外周側へ押圧される。

したがって、本実施形態の機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂでは、関連技術の場合と異なり、密封油ＳＯが導入部５０を介してポケット溝４０に供給される。本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂも機内側シールリング部材３０ａと同様に自動的な調芯が適正に行われるので、軸シール装置１０の密封性能が向上する。

本実施形態において、機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａは、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂと異なり、全体が回転シャフト４の外周面Ｐ４に沿った平坦な面である。つまり、機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａは、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂと異なり、導入部５０およびポケット溝４０が形成されておらず、密封油ＳＯが導入部５０を介してポケット溝４０に供給される構成でない。このため、本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂと機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａとの両者に導入部５０およびポケット溝４０を形成する場合よりも密封油ＳＯの増加が抑制されているので、密封油ＳＯを効果的に利用することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る軸シール装置１０に関して、図７を用いて説明する。図７では、図２と同様に、軸シール装置１０を構成するシールリング３０の内周面を示している。

図７に示すように、本実施形態のシールリング３０では、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂの形態の一部が、第１実施形態の場合（図２を参照）に対して異なっている。この点および関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様であるため、適宜、説明を省略する。

本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂには、排油溝４５が形成されている。排油溝４５は、回転方向Ｔにおいてポケット溝４０の前方側Ｆｗにおいてポケット溝４０に連通している。排油溝４５は、ポケット溝４０から密封油ＳＯを回転電機ケーシング３の機外側ＯＴ（外側）に排出するように構成されている。ここでは、排油溝４５は、軸方向（ｘ）に沿って延在しており、入口側と出口側とが回転方向Ｔにおいて同じ位置にある。

本実施形態の作用および効果に関して説明する。

第１実施形態では、図４に示したように、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ４０で密封油ＳＯの圧力が高くなる。その端面Ｓ４０における密封油ＳＯの圧力は、シールケーシング室２１における密封油ＳＯの圧力よりも高くなる。このため、ポケット溝４０において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ４０では、密封油ＳＯは、回転電機ケーシング３の機外側ＯＴの他に、回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに流れやすくなる。その結果、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０から機内側シールリング部材３０ａの内周面Ｐ３０ａと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間に密封油ＳＯが侵入し、密封油ＳＯの量が増加する。密封油ＳＯの量が増加するに伴い、冷却用ガスである水素ガスが密封油ＳＯに吸収される量が増加するので、冷却用ガスである水素ガスの消費量が増加する。

しかし、本実施形態では、密封油ＳＯは、回転方向Ｔにおいてポケット溝４０の前方側Ｆｗに位置する排油溝４５から回転電機ケーシング３の機外側ＯＴ（外側）に排出される。このため、本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０から回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに流れる密封油ＳＯの量が減少する。

したがって、本実施形態においては、第１実施形態に示した効果と共に、冷却用ガスである水素ガスの消費量が増加することを抑制可能である。

上記の実施形態では、排油溝４５は、軸方向（ｘ）に沿っており、入口側と出口側とが回転方向Ｔにおいて同じ位置にある場合について説明したが、これに限らない。

第２実施形態の変形例に係る軸シール装置１０に関して、図８を用いて説明する。図８では、図７と同様に、軸シール装置１０を構成するシールリング３０の内周面を示している。

図８に示すように、排油溝４５は、入口側が出口側よりも回転方向Ｔにおいて前方側Ｆｗに位置するように、排油溝４５の延在方向が回転方向Ｔに対して傾斜していてもよい。また、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０において回転方向Ｔの前方側Ｆｗに位置する端面Ｓ４０が、排油溝４５の延在方向と同様に、回転方向Ｔに対して傾斜していてもよい。この場合には、密封油ＳＯの流れに対する抵抗が低下する。その結果、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０から回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに流れる密封油ＳＯの量を更に好適に減少させることができる。したがって、本変形例においては、冷却用ガスである水素ガスの消費量が増加することを更に効果的に抑制可能である。

＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る軸シール装置１０に関して、図９および図１０を用いて説明する。図９では、図１と同様に、軸シール装置１０について鉛直面（ｘｚ面）の断面を示している。図１０では、図２と同様に、軸シール装置１０を構成するシールリング３０の内周面を示している。

図９および図１０に示すように、本実施形態のシールリング３０では、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂの形態の一部が、第１実施形態の場合（図１および図２を参照）に対して異なっている。この点および関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様であるため、適宜、説明を省略する。

本実施形態において、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂは、ポケット溝４０よりも機外側ＯＴに位置する部分に、排油口４６が形成されている。排油口４６は、回転方向Ｔに沿うようにリング状に形成されている。

排油口４６によって、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂは、ポケット溝４０よりも機外側ＯＴに位置する部分の方が、ポケット溝４０よりも機内側ＩＮに位置する部分よりも回転シャフト４の外周面Ｐ４から離れた状態になっている。つまり、機外側シールリング部材３０ｂは、ポケット溝４０よりも機外側ＯＴに位置する内周面Ｐ３０ｂと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間の距離Ｈｂは、機外側シールリング部材３０ｂにおいてポケット溝４０よりも機内側ＩＮに位置する内周面Ｐ３０ｂと回転シャフト４の外周面Ｐ４との間の距離Ｈａよりも長い。

以上のように、本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂの内周面Ｐ３０ｂにおいてポケット溝４０よりも機外側ＯＴに位置する部分に排油口４６が形成されているので、機外側シールリング部材３０ｂと回転シャフト４との間に介在するシール間隙ＳＧは、ポケット溝４０よりも機外側ＯＴに位置する部分の方が、ポケット溝４０よりも機内側ＩＮに位置する部分よりも広くなっている。このため、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０に供給された密封油ＳＯは、機内側ＩＮよりも機外側ＯＴに流れやすい。その結果、本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０から回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに流れる密封油ＳＯの量が減少する。

したがって、本実施形態においては、第２実施形態の説明から判るように、冷却用ガスである水素ガスの消費量が増加することを抑制可能である。

＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る回転電機１に関して、図１１を用いて説明する。図１１では、図１と同様に、回転電機１において軸シール装置１０が設けられた部分について、鉛直面（ｘｚ面）の断面を示している。

図１１に示すように、本実施形態の回転電機１においては、回転シャフト４の外周面Ｐ４に突起部３００が形成されている。この点および関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様であるため、適宜、説明を省略する。

突起部３００は、回転シャフト４の径方向（ｚ）に突き出ており、回転方向Ｔに延在したリング状に形成されている。

ここでは、突起部３００は、回転シャフト４の外周面Ｐ４のうち、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０よりも回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに位置する部分に設けられている。具体的には、突起部３００は、回転シャフト４の外周面Ｐ４のうちリング間隙ＲＧに対面する部分に設けられている。

このため、本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０に供給された密封油ＳＯは、回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに向かう流れが、突起部３００によって阻害される。その結果、本実施形態では、機外側シールリング部材３０ｂのポケット溝４０から回転電機ケーシング３の機内側ＩＮに流れる密封油ＳＯの量が減少する。

したがって、本実施形態においては、第２実施形態の説明から判るようにに、冷却用ガスである水素ガスの消費量が増加することを抑制可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１…回転電機、３…回転電機ケーシング、４…回転シャフト、１０…軸シール装置、１０Ｊ…軸シール装置、２０…シールケーシング、２１…シールケーシング室、２２…シールケーシング開口、３０…シールリング、３０ａ…機内側シールリング部材、３０ｂ…機外側シールリング部材、４０…ポケット溝、４５…排油溝、４６…排油口、５０…導入部、５１…導入溝、５３…導入孔、５３Ａ…油入口、５３Ｂ…油出口、８０…コイルスプリング、２１１…油流入口、３００…突起部、ＡＸ…回転中心軸、Ｂｗ…後方側、Ｆｗ…前方側、Ｇ…空隙、ＩＮ…機内側、ＯＴ…機外側、Ｐ２０…内周面、Ｐ３０…内周面、Ｐ３０ａ…内周面、Ｐ３０ｂ…内周面、Ｐ３１ｂ…外周面、Ｐ４…外周面、Ｐ４０…底面、Ｐ５１…底面、Ｒ…回転方向、ＲＧ…リング間隙、Ｓ２２ａ…側面、Ｓ２２ｂ…側面、Ｓ３０ａ…側面、Ｓ３０ｂ…側面、Ｓ４０…端面、Ｓ５１ａ…端面、Ｓ５１ｂ…端面、ＳＧ…シール間隙、ＳＯ…密封油

Claims (6)

1. 冷却用ガスが封入された内部の圧力が外部の圧力よりも高い回転電機ケーシングと、前記回転電機ケーシングを貫通する回転シャフトとの間に設置されており、前記回転電機ケーシングの内部に前記冷却用ガスを密封する軸シール装置であって、
   前記冷却用ガスよりも圧力が高い密封油が供給されるシールケーシング室が内部に形成されているシールケーシングと、
   前記シールケーシング室に収容されているシールリングと
   を有し、
   前記シールリングは、
   機内側シールリング部材と、
   前記回転シャフトの軸方向において前記機内側シールリング部材よりも前記回転電機ケーシングの外側に位置している機外側シールリング部材と
   を含み、
   前記機内側シールリング部材と前記機外側シールリング部材との間にリング間隙が介在していると共に、前記機内側シールリング部材の内周面と前記回転シャフトの外周面との間、および、前記機外側シールリング部材の内周面と前記回転シャフトの外周面との間にシール間隙が介在しており、
   前記機内側シールリング部材の内周面は、全体が前記回転シャフトの外周面に沿った平坦な面であるのに対して、前記機外側シールリング部材の内周面には、前記回転シャフトの回転方向に沿って延在するポケット溝が形成されており、
   前記機外側シールリング部材の内周面には、前記シールケーシング室から前記ポケット溝に前記密封油を導入する導入溝が形成されており、
   前記導入溝は、前記回転方向において前記ポケット溝よりも後方側に位置しており、
   前記密封油が前記シールケーシング室から前記リング間隙を介して前記シール間隙に供給されると共に、前記密封油が前記シールケーシング室から前記ポケット溝に供給される、
   軸シール装置。
2. 前記機外側シールリング部材の内周面には、前記ポケット溝から前記密封油を前記回転電機ケーシングの外側に排出する排油溝が形成されており、
   前記排油溝は、前記回転方向において前記ポケット溝の前方側に位置している、
   請求項１に記載の軸シール装置。
3. 前記排油溝は、入口側が、前記回転電機ケーシングの内側である機内側であって、出口側が、前記回転電機ケーシングの外側である機外側であり、前記入口側が前記出口側よりも前記回転方向において後方側に位置するように、前記回転方向に対して傾斜している、
   請求項２に記載の軸シール装置。
4. 前記シール間隙は、前記ポケット溝よりも前記回転電機ケーシングの外側に位置する部分の方が、前記ポケット溝よりも前記回転電機ケーシングの内側に位置する部分よりも広い、
   請求項１に記載の軸シール装置。
5. 冷却用ガスが内部に封入され、内部の圧力が外部の圧力よりも高い回転電機ケーシングと、
   前記回転電機ケーシングを貫通する回転シャフトと、
   前記回転電機ケーシングと前記回転シャフトとの間に設置されており、前記回転電機ケーシングの内部に前記冷却用ガスを密封する軸シール装置と
   を有する回転電機であって、
   前記軸シール装置は、
   前記冷却用ガスよりも圧力が高い密封油が供給されるシールケーシング室が内部に形成されているシールケーシングと、
   前記シールケーシング室に収容されているシールリングと
   を有し、
   前記シールリングは、
   機内側シールリング部材と、
   前記回転シャフトの軸方向において前記機内側シールリング部材よりも前記回転電機ケーシングの外側に位置する機外側シールリング部材と
   を含み、
   前記機内側シールリング部材と前記機外側シールリング部材との間にリング間隙が介在していると共に、前記機内側シールリング部材の内周面と前記回転シャフトの外周面との間、および、前記機外側シールリング部材の内周面と前記回転シャフトの外周面との間に、シール間隙が介在しており、
   前記機内側シールリング部材の内周面は、全体が前記回転シャフトの外周面に沿った平坦な面であるのに対して、前記機外側シールリング部材の内周面には、前記回転シャフトの回転方向に沿って延在するポケット溝が形成されており、
   前記機外側シールリング部材の内周面には、前記シールケーシング室から前記ポケット溝に前記密封油を導入する導入溝が形成されており、
   前記導入溝は、前記回転方向において前記ポケット溝よりも後方側に位置しており、
   前記密封油が前記シールケーシング室から前記リング間隙を介して前記シール間隙に供給されると共に、前記密封油が前記シールケーシング室から前記ポケット溝に供給される、
   回転電機。
6. 前記回転シャフトの外周面のうち、前記ポケット溝よりも前記回転電機ケーシングの内側に位置する部分に、前記回転シャフトの径方向に突き出た突起部が形成されている、
   請求項５に記載の回転電機。

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