JP6952760B2 - 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。
させる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。

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、実開昭６２−２８６５号公報（以下、「特許文献３」という。）に記載のものが知られている（以下、「従来技術３」という。）。この特許文献３に記載された従来技術３は、ガス圧縮機の液封式軸封装置に関し、シールリングの背面とケーシングとの間にＯリングを介して油を封入した油圧室を設けることによってダンパ機構を構成し、シールリングの振動を防止する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。
さらに、上記従来技術２のシールリングを備えたシール装置においては、シールリングの振動を油圧室からなるダンパ機構で制振できるが、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。

特開昭５７−１５４５６２号公報 特開２０００−３１０３４２号公報 実開昭６２−２８６５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、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、回転軸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、フローティングリング本体、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金属製の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が当接し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部には、網構造に編まれた金属ワイヤ又はプラスチック線から構成されるワイヤメッシュから形成されるワイヤメッシュダンパからなる透過性減衰部材を備え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と、回転軸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、ワイヤメッシュダンパからなる透過性減衰部材を備えることによって、ワイヤ同士の摩擦による摩擦力と、ワイヤ同士の間隙に存在する被密封流体の有する粘性抵抗（ダンパ）による減衰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２に、第１の特徴において、
前記透過性減衰部材は、中空円筒状の形状に形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、ハウジングに特別の加工を施すことなく、フローティングリングの外周部の空間を利用して装着をすることができる。

また、本発明のしゅう動部品は、第３に、第１又は第２の特徴において、
前記中空円筒状の透過性減衰部材は、その内周面が前記フローティングリングの外周面に接し、また、その外周面が前記ハウジング本体の空間を形成する径方向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、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、回転軸の振れ回りを抑制する接線方向の減衰力とを大きくすることができる。

また、本発明のシール装置は、第４に、第２又は第３の特徴において、
前記中空円筒状の透過性減衰部材の軸方向の幅は、その両端が前記ハウジングの内側両側面とわずかな間隙を有する長さに設定され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（ダンパ）による減衰力を大きくすることができる。

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、
前記ハウジング内側面と前記フローティングリングの低圧側の側面とで形成されるシール面に被密封流体の導入が可能な導入凹部が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、シール面の潤滑状態を良好に保持することができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）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の外周部に透過性減衰部材を設けることにより、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と、回転軸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）透過性減衰部材は、網構造に編まれた金属ワイヤ又はプラスチック線から構成されるワイヤメッシュから形成されるワイヤメッシュダンパからなることにより、ワイヤ同士の摩擦による摩擦力と、ワイヤ同士の間隙に存在する被密封流体の有する粘性抵抗（ダンパ）による減衰力を効率よく確保することができる。

（３）透過性減衰部材は、中空円筒状の形状に形成されることにより、ハウジングに特別の加工を施すことなく、フローティングリングの外周部の空間を利用して装着をすることができる。

（４）中空円筒状の透過性減衰部材は、その内周面がフローティングリングの外周面に接し、また、その外周面がハウジング本体の空間を形成する径方向の内周面に接するように設定されることにより、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と、回転軸の振れ回りを抑制する接線方向の減衰力とを大きくすることができる。

（５）中空円筒状の透過性減衰部材の軸方向の幅は、その両端がハウジングの内側両側面とわずかな間隙を有する長さに設定されることにより、被密封流体の有する粘性抵抗（ダンパ）による減衰力を大きくすることができる。

（６）ハウジング内側面とフローティングリングの低圧側の側面とで形成されるシール面に被密封流体の導入が可能な導入凹部が設けられることにより、シール面の潤滑状態を良好に保持することができる。

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い。

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の外周部に、透過性減衰部材、例えば、ワイヤメッシュから構成されるワイヤメッシュダンパ１０を設けたものである。
透過性減衰部材は、その内部を流体が透過する部材であって、流体が透過する際に流体の有する粘性抵抗により透過性減衰部材の変形に対する減衰力が発生されるものであり、弾性を有する部材であればよく、フローティングリング５の外周部に設けられた際、径方向に弾性変形可能な部材であればよい。
透過性減衰部材としては、ワイヤメッシュダンパの他に、連続気泡の発泡ゴム及び発泡プラスチック等が挙げられる、

ワイヤメッシュダンパ１０は、網構造に編まれた鋼、ニッケル−クロム合金等の金属ワイヤ１１（又は、ポリプロピレン、ポリエチレン等のプラスチック線）から形成され、その密度は設計的に決められる。
なお、ワイヤメッシュダンパ１０の材料である金属ワイヤ、又は、プラスチック線は、弾性変形可能な材料であることが好ましい。

また、図１及び図２に示すように、ワイヤメッシュダンパ１０は、その内周面１０ａがフローティングリング５の外周面に接し、その外周面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、中空円筒状の形状に形成される。
このため、回転軸３が偏心した場合、ワイヤメッシュダンパ１０の復元作用により、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５ａ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、ワイヤメッシュダンパ１０の幅（軸方向の長さ）は、その両端１０ｃ、１０ｄがハウジング２の内側両側面とわずかな間隙を有する長さに設定され、ワイヤメッシュダンパ１０の両側には被密封流体が存在するようになっている。
高圧流体側の被密封流体はワイヤメッシュダンパ１０内を透過して、端部１０ｄ側に進入し、さらに、導入凹部６にも進入し、シール面Ｓを潤滑する。

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、ワイヤメッシュダンパ１０の右上方に位置する部分が圧縮される。ワイヤメッシュダンパ１０に変形が生じると、編み込まれたワイヤ１１同士の摩擦により摩擦力が生じると共に、ワイヤ１１同士の間隙に存在する被密封流体の有する粘性抵抗（ダンパ）によりワイヤ１１の変形に対する減衰力が発生する。
上記の摩擦力及び粘性抵抗による減衰力は、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６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、ワイヤメッシュダンパ１０のワイヤ１１同士の間隙が大きくなり、ワイヤメッシュダンパ１０の外部に存在する被密封流体がワイヤ１１同士の間隙内に流入し、間隙内は被密封流体で満たされる。

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の外周部に透過性減衰部材を設けることにより、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と、回転軸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）透過性減衰部材は、網構造に編まれた金属ワイヤ又はプラスチック線から構成されるワイヤメッシュから形成されるワイヤメッシュダンパ１０からなることにより、ワイヤ１１同士の摩擦による摩擦力と、ワイヤ１１同士の間隙に存在する被密封流体の有する粘性抵抗（ダンパ）による減衰力を効率よく確保することができる。
（３）透過性減衰部材は、中空円筒状の形状に形成されることにより、ハウジングに特別の加工を施すことなく、フローティングリング５の外周部の空間を利用して装着をすることができる。
（４）中空円筒状の透過性減衰部材は、その内周面がフローティングリング５の外周面に接し、また、その外周面がハウジング本体２ａの空間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とにより、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大きくすることができる。
（５）中空円筒状の透過性減衰部材の軸方向の幅は、その両端がハウジング２の内側両側面とわずかな間隙を有する長さに設定されるにより、被密封流体の有する粘性抵抗（ダンパ）による減衰力を大きくすることができる。
（６）ハウジング内側面２ｃとフローティングリング５の低圧側の側面５ｃとで形成されるシール面Ｓに被密封流体の導入が可能な導入凹部６が設けられることにより、シール面Ｓの潤滑状態を良好に保持することができる。

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、中空円筒状のワイヤメッシュダンパ１０は、その内周面１０ａがフローティングリング５の外周面に接し、また、その外周面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場合について説明したが、これに限定されることなく、外周面１０ｂがハウジング本体２ａの内周面２ｄと間隙を有するようにワイヤメッシュダンパ１０の外径を設定してもよい。

例えば、前記実施例では、中空円筒状のワイヤメッシュダンパ１０の軸方向の幅がハウジング２の内側両側面とわずかな間隙を有する長さに設定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、ワイヤメッシュの密度及び被密封流体の粘度に応じて、軸方向の幅を小さくしてもよい。

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 透過性減衰部材（ワイヤメッシュダンパ）
１０ａ 内周面
１０ｂ 外周面
１０ｃ、１０ｄ 両端
１１ 金属ワイヤ（プラスチック線）
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

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、フローティングリング本体、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金属製の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が当接し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部には、網構造に編まれた金属ワイヤ又はプラスチック線から構成されるワイヤメッシュから形成されるワイヤメッシュダンパからなる透過性減衰部材を備えることを特徴とするシール装置。
2. 前記透過性減衰部材は、中空円筒状の形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 前記中空円筒状の透過性減衰部材は、その内周面が前記フローティングリングの外周面に接し、また、その外周面が前記ハウジング本体の空間を形成する径方向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又は２記載のシール装置。
4. 前記中空円筒状の透過性減衰部材の軸方向の幅は、その両端が前記ハウジングの内側両側面とわずかな間隙を有する長さに設定されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のシール装置。
5. 前記ハウジング内側面と前記フローティングリングの低圧側の側面とで形成されるシール面に被密封流体の導入が可能な導入凹部が設けら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。

Images