JP6952759B2 - シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に使用されるシール装置に関し、特に、大型高速回転機の軸シール部や、ロケットエンジン用極低温液体燃料ターボポンプ等の回転軸に使用される非接触環状シールであるフローティングリングを備えたシール装置に関する。

従来、ロケットエンジン用極低温液体燃料ターボポンプ等の高速回転機器において、回転軸の軸振動がしばしば問題になる。軸振動が自励振動的に増大すると、機械の破損だけでなく、重大な事故に繋がりかねないため、軸振動抑制のための技術が研究されている。
フローティングリングを備えたシール装置として、例えば、特開昭５７−１５４５６２号公報（以下、「特許文献１」という。）に記載のものが知られている（以下、「従来技術１」という。）。この特許文献１に記載された従来技術１は、回転軸の周囲に配設された円環状のフローティングリングの外周に、周方向に等間隔で板バネを複数設け、該板バネを静止側であるハウジングにおいて支持し、板バネによりフローティングリングを浮き上がった状態で装着し、回転軸の振動によるフローティングリングの軸直角方向の振動を減衰させ、また、フローティングリングの内周面と回転軸との間に発生するくさび効果（くさび部に発生する動圧の効果）と、ロマキン効果（シール差圧が生じた際、シールリングと軸との表面間の流入損失による調心効果）により、フローティングリングの内周面と回転軸との間の隙間を一定に保つようにしたものである。

また、フローティングリングを備えた他のシール装置として、特開２０００−３１０３４２号公報（以下、「特許文献２」という。）に記載のものが知られている（以下、「従来技術２」という。）。この特許文献２に記載された従来技術２は、回転軸の周囲に配設された円環状のフローティングリングの低圧側に環状ホルダーと円筒状スリーブとからなる支持手段を設け、環状ホルダーとフローティングリングとの間に働く摩擦抵抗が大きくなってもフローティングリングの芯合わせ作用を妨げないようにしたものである。

しかしながら、上記従来技術１のフローティングリングを備えたシール装置においては、回転軸の振動に起因するフローティングリングの軸直角方向の振動をフローティングリングの外周の複数の板バネで制振できるが、回転軸の振動を抑制するという技術思想は備えていない。
また、上記従来技術２のフローティングリングを備えたシール装置においては、環状ホルダーとフローティングリングとの間に働く摩擦抵抗が大きくなってもフローティングリングの芯合わせ作用を妨げないというにとどまり、回転軸の振動を抑制するという技術思想は備えていない。

特開昭５７−１５４５６２号公報 特開２０００−３１０３４２号公報

本発明は、回転軸の周囲にフローティングリングを備えたシール装置において、第一に、回転軸の振れ回りを抑制する接線方向の減衰力を付与し、第二に、回転軸の偏心に対して軸心位置に復元させる半径方向の復元力とを付与することにより、漏れ防止を図ると共に回転軸の振動の抑制作用を併せ持つシール装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のしゅう動部品は、第１に、
回転軸の外周とハウジングの内周との空間にフローティングリングを備えたシール装置において、
前記フローティングリングは、フローティング本体、及び、前記フローティングリング本体の外径側に嵌合されたサポートリングを有し、前記フローティングリング本体の低圧側の側面と前記ハウジングの内側面との当接部においてシール面が形成されるものであって、
前記フローティングリングの外周面と前記ハウジングの内周面との間に弾性変形可能な円筒状の薄板を複数枚重ね合わせて構成される多層構造円筒体が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、フローティングリング本体と、該フローティングリング本体の外径側に嵌合されたサポートリングとから構成されるので、回転軸の振れ回りによりフローティングリング本体が回転軸と接触した場合でもフローティングリング本体の破壊を防止できる。また、フローティングリングの外周面とハウジングの内周面との間に設けられた弾性変形可能な多層構造円筒体によって、回転軸の振れ回りを抑制する接線方向の減衰力を付与することができ、漏れ防止を図ると共に回転軸の振動の抑制作用を併せ持つシール装置を提供することができる。

また、本発明のシール装置は、第２に、第１の特徴において、前記多層構造円筒体は円周方向に波形の形状に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、回転軸の偏心に対して軸心位置に復元させる半径方向の復元力を付与することができ、漏れ防止を図ると共に回転軸の振動の抑制作用を併せ持つシール装置を提供することができる。

また、本発明のシール装置は、第３に、第１又は第２の特徴において、前記多層構造円筒体は、その両端に被密封流体が存在するように設置され、前記複数の薄板の間には、その両端から被密封流体が出入可能とするための間隙が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、被密封流体の有する粘性抵抗により発生する圧力を効率よく確保することができる。

また、本発明のシール装置は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記多層構造円筒体の波形は、前記回転軸の静止時において、谷部が前記フローティングリングの外周面に接し、山部が前記ハウジングの内周面に接するように設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、常時、回転軸の偏心に対して、軸心位置に復元させる半径方向の復元力を得ることができる。

また、本発明のシール装置は、第５に、第１ないし第４のいずれかの特徴において、前記薄板は、弾性変形可能な金属材料から形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、製作が容易で、かつ、耐久性のある多層構造円筒体を得ることができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）回転軸の外周とハウジングの内周との空間にフローティングリングを備えたシール装置において、フローティングリングの外周面と前記ハウジングの内周面との間に弾性変形可能な円筒状の薄板を複数枚重ね合わせて構成される多層構造円筒体が設けられていることにより、回転軸の振れ回りを抑制する接線方向の減衰力を付与することができ、漏れ防止を図ると共に回転軸の振動の抑制作用を併せ持つシール装置を提供することができる。

（２）多層構造円筒体は円周方向に波形の形状に形成されていることにより、回転軸の偏心に対して軸心位置に復元させる半径方向の復元力を付与することができ、漏れ防止を図ると共に回転軸の振動の抑制作用を併せ持つシール装置を提供することができる。

（３）多層構造円筒体は、その両端に被密封流体が存在するように設置され、複数の薄板の間には、その両端から被密封流体が出入可能とするための間隙が設けられていることにより、被密封流体の有する粘性抵抗により発生する圧力を効率よく確保することができる。

（４）多層構造円筒体の波形は、回転軸の静止時において、谷部がフローティングリングの外周面に接し、山部がハウジングの内周面に接するように設定されることにより、常時、回転軸の偏心に対して、軸心位置に復元させる半径方向の復元力を得ることができる。

（５）薄板は、弾性変形可能な金属材料から形成されることにより、製作が容易で、かつ、耐久性のある多層構造円筒体を得ることができる。

本発明の実施例１係るシール装置を模式的に示した正面断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施例１に係るシール装置における回転軸の振れ回りを抑制する作用を説明するための模式図である。

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、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、本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。

図１ないし図３を参照して、本発明の実施例１に係るシール装置について説明する。

図１において、ケーシング１５を貫通するようにして流体機械の回転軸３が配設されており、左側が高圧流体側、右側が低圧流体側である。高圧流体側には、被密封流体である水、気体、油あるいは極低温流体等が封入されている。
シール装置１は、フローティングリング５と、該フローティングリング５を収納するハウジング２から主に構成される。

ハウジング２は、ハウジング本体２ａとカバー部材２ｂとから主に形成される。ハウジング本体２ａは締結手段９によってケーシング１５に固定され、ハウジング本体２ａの内径部とカバー部材２ｂとによって囲まれた空間４が形成される。また、カバー部材２ｂはハウジング本体２ａに締結手段で固定される。

ハウジング２の内周面と回転軸３の外周面との間には半径方向の隙間δが設けられており、この隙間δをシールするため、回転軸３の外周を囲むように中空円筒状のフローティングリング５が設けられる。フローティングリング５は、その径に応じて、一体あるいは分割体で形成される。

フローティングリング５は、カーボン等の自己潤滑性に優れた材料から形成されたフローティングリング本体５ａと、該本体５ａの外径側に嵌合された金属製のサポートリング５ｂとから構成され、フローティングリング本体５ａが回転軸３の振れ回りにより回転軸３と接触した場合でも破壊されないように形成されている。

ハウジング２内の空間４の径及び幅は、フローティングリング５の外径及び幅よりも大きく設定されており、ハウジング本体２ａにはフローティングリング本体５ａの低圧側の側面５ｃと当接する内側面２ｃが形成されている。

フローティングリング５の内径は回転軸３の外径よりもわずかに大きく設定されており、フローティングリング５が半径方向に一定の範囲で移動可能となっている。回転軸３とフローティングリング５との径方向の間隙は極小に設定され、該間隙を通しての被密封流体の漏れは最小限に抑えられる。

フローティングリング本体５ａの低圧側の側面５ｃと、該側面５ｃに対峙するハウジング本体２ａの内側面２ｃとの当接部においてシール面Ｓが形成されている。シール面Ｓには空間４内の被密封流体を導入するための導入凹部６が設けられ、シール面Ｓの潤滑が良好に保たれている。
フローティングリング５は高圧の被密封流体によりハウジング本体２ａの内側面２ｃ側に押し付けられ、シール面Ｓにおいてフローティングリング５とハウジング本体２ａとの間の漏れを防止する。
なお、スプリング７を設けて、フローティングリング５をハウジング本体２ａの内側面２ｃ側に付勢してもよい。

また、フローティングリング５には図示しない回止ピンが軸方向に設けられ、該回止ピンがハウジング２に設けられた溝内に遊嵌されることにより、フローティングリング５の回転を防止するようになっている。
なお、フローティングリング５の廻り止め手段としては、回止ピンに限定されるものではない。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図であって、回転軸３が回転を始めた状態を示している。
今、回転軸３が反時計方向に回転を始めると、回転軸３とフローティングリング５との間に介在する被密封流体の隙間αにおけるくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力が発生する。このとき、フローティングリング５の重量＞回転軸３とフローティングリング５とのくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力、の関係にある場合、フローティングリング５の中心は回転軸３の中心より下方にある。このような状態においては、回転軸３外周とフローティング５内周との間に介在する流体膜が局所的に薄くなるため、回転軸３の振れ回りのような挙動を起こしたときにフローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面とが接触する危険がある。このような危険を避けるためには、フローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面との隙間を大きく設定する必要がある。しかし、この隙間を大きくすると、この隙間からの被密封流体の漏れ量が隙間の３乗に比例して多くなるという問題がある。

本発明は、回転軸３の偏心に対して、軸心位置に復元させる半径方向の復元力と、回転軸３の振れ回りを抑制する接線方向の減衰力とを付与することにより、漏れ防止を図ると共に回転軸３の振動の抑制作用を併せ持つシール装置を提供するものであり、そのため、図１及び図２に示すように、フローティングリング５の外周面とハウジング１の内周面との間に弾性変形可能な円筒状の薄板１１を複数枚重ね合わせて構成される多層構造円筒体１０を設けたものである。

図１及び図２に示すように、多層構造円筒体１０は、弾性変形可能な円筒状の薄板１１を複数枚重ね合わせて構成されており、複数の薄板１１同士は、径方向には相対移動可能であって、かつ、軸方向に相対移動不能に保持されている。
また、多層構造円筒体１０は、円周方向に波形の形状を有している。
多層構造円筒体１０の波形は、回転軸３の静止時において、谷部１０ａがフローティングリング５の外周面に接し、山部１０ｂがハウジング本体２ａの空間４を形成する径方向の内周面２ｄに接するように設定される。
このため、回転軸３が偏心した場合、多層構造円筒体１０の板バネ作用により、回転軸３を軸心位置に押し戻す、半径方向の復元力が作用し、回転軸３を軸心位置に押し戻すことができる。そのため、フローティングリング５の側面５ｃとハウジング１の側面４ａとのシール面Ｓが正常状態に維持され、シール効果を維持することができる。

図１に示されているように、多層構造円筒体１０の幅（軸方向の長さ）はフローティングリング５の幅と略同じに設定されており、多層構造円筒体１０の両側には被密封流体が存在する。
また、多層構造円筒体１０を構成する複数の薄板１１は弾性材料、たとえば、弾性を有する金属材料から形成され、径方向において隣接する薄板１１同士の間には、その両端から被密封流体を出入可能とするための間隙βが設けられている（図１参照。）。間隙βの大きさは、被密封流体の種類により適宜に設定される。薄板１１がうねり及び表面粗さを有する場合、複数の薄板１１を重ねるだけでわずかな間隙βが形成されるので、隣接する薄板１１同士の間に間隙βを形成するための特別の手段を施す必要はない。しかし、必要に応じて、薄板１１の表面に突起を設けたり、隣接する薄板同士の間にスペーサを介在させたりして、隣接する薄板１１同士の間に所望の間隙βを設けるようにしてもよい。
なお、本実施例の場合、薄板１１の枚数は４枚であるが、これに限らず、複数枚であればよい。

次に、図３を参照しながら、本発明のシール装置が、回転軸３が軸心から偏心した状態で一定の周期で振れ回る際の振れ回りを抑制する作用について説明する。

回転軸３の振れ回り状態において、図３に示すように、回転軸３が軸心から右上方に偏心した状態を想定すると、フローティングリング５は回転軸３に押されて右上方の外径側に移動する。フローティングリング５が右上方の外径側に移動すると、多層構造円筒体１０の右上方に位置する部分が圧縮される。圧縮された部分の多層構造円筒体１０の複数の薄板１１同士の間隙βも小さくなり、該間隙βに存在する被密封流体は端部から薄板１１の外方に流出される。この被密封流体の流出の際、被密封流体の有する粘性抵抗（ダンパ）により圧力が発生する（本明細書においては、粘性スクイズ作用ということがある。）。
粘性スクイズ作用により発生する圧力は、フローティングリング５を介して回転軸３に伝達され、回転軸３の振れ回りを抑制する接線方向の減衰力として作用する。

一方、フローティングリング５の移動方向と反対側である左下方においては、サポートリング５ｂの外周面とハウジング本体２ａの内周面２ｄとの間の間隔が大きくなるため、多層構造円筒体１０の複数の薄板１１同士の間隙βが大きくなり、多層構造円筒体１０の外部に存在する被密封流体が薄板１１の端部から薄板１１同士の間隙β内に流入し、間隙β内は被密封流体で満たされる。

粘性スクイズ作用により発生する圧力を大きくするためには、被密封流体の流出の際の粘性抵抗の総量を大きくする必要があり、薄板１１の枚数を多くすることで粘性抵抗の総量を大きくするができる。

本発明の実施例１に係るシール装置は上記のとおりであり、以下のような優れた効果を奏する。
（１）回転軸３の外周とハウジング１の内周との空間４にフローティングリング５を備えたシール装置において、フローティングリング５の外周面とハウジング１の内周面との間に弾性変形可能な円筒状の薄板１１を複数枚重ね合わせて構成される多層構造円筒体１０が設けられていることにより、回転軸の振れ回りを抑制する接線方向の減衰力を付与することができ、漏れ防止を図ると共に回転軸の振動の抑制作用を併せ持つシール装置を提供することができる。
（２）多層構造円筒体１０は円周方向に波形の形状に形成されていることにより、回転軸の偏心に対して軸心位置に復元させる半径方向の復元力を付与することができ、漏れ防止を図ると共に回転軸の振動の抑制作用を併せ持つシール装置を提供することができる。
（３）多層構造円筒体１０は、その両端に被密封流体が存在するように設置され、複数の薄板１１の間には、その両端から被密封流体が出入可能とするための間隙βが設けられていることにより、被密封流体の有する粘性抵抗により発生する圧力を効率よく確保することができる。
（４）多層構造円筒体１０の波形は、回転軸３の静止時において、谷部１０ａがフローティングリング５の外周面に接し、山部１０ｂがハウジングの内周面２ｄに接するように設定されることにより、常時、回転軸３の偏心に対して、軸心位置に復元させる半径方向の復元力を得ることができる。
（５）薄板１１は、弾性変形可能な金属材料から形成されることにより、製作が容易で、かつ、耐久性のある多層構造円筒体１０を得ることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例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、前記実施例では、多層構造円筒体１０の幅は、フローティングリング５の幅と略同一の場合について説明したが、これに限定されることなく、例えば、フローティングリング５の軸方向移動を妨げない範囲であれば、フローティングリング５の幅より大きくしてもよい。

また、例えば、前記実施例では、薄板１１が弾性を有する金属材料から形成される場合について説明したが、これに限定されることなく、例えば、弾性を有する合成樹脂材料から形成されてもよい。

また、例えば、前記実施例では、多層構造円筒体１０を構成する薄板１１の枚数が４枚である場合について説明したが、これに限定されることなく、２枚以上であればよい。

また、例えば、前記実施例では、隣接する薄板１１同士の間に間隙βを形成するための手段として、薄板１１の表面に突起を設けたり、隣接する薄板同士の間にスペーサを介在させたりする場合について説明したが、突起あるいはスペーサを設ける場合は、突起あるいはスペーサが流体の流入及び流出の妨げにならないように、例えば、円周方向に等配であって、かつ、軸方向に整列して配置した方がよい。

また、本件はシール装置を主目的として用いるが、軸の振動を減衰する減衰装置として用いてもよい。

１ シール装置
２ ハウジング
２ａ ハウジング本体
２ｂ カバー部材
２ｃ 内側面
２ｄ 内周面
３ 回転軸
４ 空間
５ フローティングリング
５ａ フローティングリング本体
５ｂ サポートリング
５ｃ 低圧側の側面
６ 導入凹部
７ スプリング
９ 締結手段
１０ 多層構造円筒体
１０ａ 谷部
１０ｂ 山部
１１ 薄板
１５ ケーシング
Ｓ シール面
δ ハウジングの内周面と回転軸の外周面との隙間
α 回転軸とフローティングリングとの隙間
β 薄板間の間隙

Claims (5)

1. 回転軸の外周とハウジングの内周との空間にフローティングリングを備えたシール装置において、
   前記フローティングリングは、フローティング本体、及び、前記フローティングリング本体の外径側に嵌合されたサポートリングを有し、前記フローティングリング本体の低圧側の側面と前記ハウジングの内側面との当接部においてシール面が形成されるものであって、
   前記フローティングリングの外周面と前記ハウジングの内周面との間に弾性変形可能な円筒状の薄板を複数枚重ね合わせて構成される多層構造円筒体が設けられていることを特徴とするシール装置。
2. 前記多層構造円筒体は円周方向に波形の形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のシール装置
3. 前記多層構造円筒体は、その両端に被密封流体が存在するように設置され、前記複数の薄板の間には、その両端から被密封流体が出入可能とするための間隙が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシール装置。
4. 前記多層構造円筒体の波形は、前記回転軸の静止時において、谷部が前記フローティングリングの外周面に接し、山部が前記ハウジングの内周面に接するように設定されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のシール装置。
5. 前記薄板は、弾性変形可能な金属材料から形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のシール装置。

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