JP7348920B2

JP7348920B2 - メカニカルシールの摩擦ペアの要素

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Publication number: JP7348920B2
Application number: JP2020573500A
Authority: JP
Inventors: セルゲイユレヴィチシューツキー; アレクサンドルニコラエヴィチプラキディン; ロジオンペトロヴィチカザンツェフ; アレクサンドルニコラエヴィチビコフ; アンドレイウラジミロヴィチゴロンコフ; ティムールドミートリエヴィチヴォロノフ
Original assignee: ジョイントストックカンパニー“セントラルデザインビューローオブマシンビルディング”; サイエンスアンドイノヴェーションズ－ニュークリアインダストリーサイエンティフィックデベロップメント，プライベートエンタープライズ
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2039-08-26
Also published as: RU2690287C1; CN114174702B; EP3816491A2; WO2020018001A2; EA202092924A1; JP2022534822A; KR20220042289A; BR112020026716A2; CA3105178A1; CN114174702A; WO2020018001A3

Description

本発明は、機械工学の分野に関し、特に回転するシャフトに用いられるメカニカルシールに関する。

摩擦ペアの要素は、原子力発電所のインペラポンプのメカニカルシール、主に主循環ポンプユニット（MCPA）、および供給および補助供給電動ポンプ（PEN、VPEN）で使用される。

メカニカルシールにおける摩擦ペアの要素の設計は、公知であり（特許文献１）、摩擦ペアにおける静止（非回転）リングとして知られている。静止リングの端面には、軸対称形状をした軸方向突起の形態のバンド（band）がある。その軸方向突起の内側と外側の側面は、同じ半径の２つの円弧によって形成されており、それらの円弧の中心は、静止リングの軸を対称に通過する２つの相互に垂直な平面上にあり、内側の側面を形成する円弧の半径の中心は、静止リングの軸から離れた表面にシフトしており、外側の側面における円弧の半径の中心は、その反対側に位置している。さらに、各円弧の半径のすべての中心は、直径が突起の最大幅以上の円上に位置している。

この設計の欠点は、中心が２つの相互に垂直な平面上にある２つの円弧によって形成されたバンドの幾何学的形状の複雑さである。加えて、バンドの不均一な幅と不規則な形状があり、メカニカルシールの信頼性は、摩擦ペアリングの接触面における均一に実行される幅とバンドのプロファイルに大きく依存する。

この技術的解決策に最も近い技術的本質と達成された成果としては、特許文献２の「原子力発電所の主循環ポンプのメカニカルシール」における、静止体に取り付けられ、可動体の回転シールリングにバネによって押し付けられた非回転シールリングに関する摩擦ペアの構成要素の設計がある。非回転シールリングは、閉ループのバンドが一定の幅で周方向に半径が変化している部分を有する軸対称プロファイルの形で作られており、その端面が非回転シールリングに対向するリングの表面と接触する。バンドの幅は、その対向するリングの表面との接触領域の幅の半分に等しく設定され、バンドのプロファイルは、その接触領域を制限する２つの同心円の間に位置する軸対称プロファイルによって形成される共役の波線によって制限されている。

バンドの幾何学的形状が波形状の生成によると記述され、リングの外径と内径によってのみ制限されるという事実を考慮すると、不利な点は、与えられた制限がバンドの最適な形状を達成するのに十分でないということである。また、バンドのプロファイルが不十分な形状であると、その間隙内の圧力の非線形分布によりバンドの端部に局所応力が集中し、バンドの接触面の幅にわたる特定の加重の不均一性およびバンドの脆化をもたらすことになる。

ロシア特許第2056559号明細書ロシア特許第1162279号明細書

本発明の課題は、メカニカルシールの摩擦ペアの信頼性を高め、その動作耐久性を高めながら、摩擦ペアの要素の形状をさらに改善することである。

本発明は、非回転シールリングの形で作られたメカニカルシールの摩擦ペアの要素であって、対向するシールリングの面との接触を目的とした閉ループ状のコンタクトバンドを含み、前記コンタクトバンドは、一定幅であり、半径が異なる部分を周方向に有する軸対称プロファイルを備え、前記軸対称プロファイルは、非回転シールリングの接触領域を定義する２つの同心円の間に配置された２本の平行な波線によって輪郭が形成され、前記コンタクトバンドの幅は、前記接触領域の幅の半分に等しく、前記コンタクトバンドの軸対称プロファイルの輪郭を形成する２本の平行な波線は、前記軸対称プロファイルにおける各セクターのそれぞれごとに、平行な２本の波線において共役の関係を有する２つの円弧を形成するための円の対応する半径が等しいという条件で形成され、これらの波線における各円弧の中心が、２つの同心円により囲まれる領域の外側に位置し、各セクターを区切り且つ非回転シールリングの中心を通過する２本の線上にあり、２本の波線のうち外側の波線の波頂が非回転シールリングの接触領域の外側の同心円に接し、内側の波線の波底が内側の同心円に接し、非回転シールリングの接触領域を制限する前記２つの同心円のうち外側の同心円の外径と内側の同心円の内径の比率が１．２５に等しく、コンタクトバンドのプロファイルの輪郭を構築するための基本パラメータが次の各式で計算されることを特徴とする。

ここで、Ｒｐは、コンタクトバンドのプロファイルの輪郭を示す波線の波頂である円弧を形成する、コンタクトバンドの構造半径を示す。

ｋは、ｃｏｓ（γ）である。

ｄは、摩擦ペアのシールリングの接触領域を内側から制限する同心円の直径であり、非回転シールリングの内径に等しい。

ｎは、コンタクトバンドの波状プロファイルの半径方向の変化量を示す半径方向ピッチであり、その最適値は、計算された面積の値とコンタクトバンドの公称面積の値との対応を近似することによって選択することによって決定される。

α₂は、それぞれのセクターにおいて、非接触シールリングの内径に接するコンタクトバンドの波状プロファイルのリング部分の中心角を示す。

γは、コンタクトバンドの波状プロファイルの一つのセクターにおける中心角を示す。

Ｓは、メカニカルシールの接触領域を示す。

上記の構成に至った経緯を次に示す。すなわち、最適化を目的として設定された問題を解決するために、メカニカルシールの摩擦ペアの既知の設計の要素のコンタクトバンドのプロファイルの輪郭を形成する２本の波線に設計制限を補足することが提案された。

摩擦ペアの既知の設計によれば、閉ループのコンタクトバンドは、回転しないシールリング（摩擦ペアの一方）上に作られ、その端面は、対向する他方のシールリングの表面との接触を目的としている。このコンタクトバンドは、幅が一定で、周方向に半径が変化する部分を有する軸対称プロファイルで作られている。コンタクトバンドのプロファイルは、シールリングの接触領域を定義する２つの同心円の間に配置された２本の波線の共役によって形成されている。さらに、コンタクトバンドの幅は、これらの２つの同心円に囲まれる領域の幅の半分に等しく設定される。

最初に提案された設計上の制約は、コンタクトバンドの軸対称プロファイルにおける各セクターのそれぞれで、平行な２本の波線における共役の関係にある２つの円弧の半径が等しいという条件である。これらの波線における各円弧の中心は、２つの同心円により制限される前記領域の外側に位置し、各セクターを区切り且つ回転しないシールリングの中心を通過する２本の線上にある。この場合、２本の波線のうち外側の波線の波頂がシールリングの接触領域の外側の同心円に接触し、内側の波線の波底が内側の同心円に接触しなければならない。

２番目の設計上の制限は、メカニカルシールのシールリングの接触領域を制限する２つの同心円の直径の比率である。つまり、外側の同心円の直径Ｄと内側の同心円の直径ｄの比率がＤ/ｄが１．２５である。

実験的研究に基づいて、メカニカルシールの摩擦ペア要素に追加の設計制約を加えたコンタクトバンドのプロファイルの輪郭の提案された実行が最適である。

技術的な結果は、回転しないシールリング（摩擦ペア要素）のコンタクトバンドの脆化の指標を減らし、その耐摩耗性を高めることにある。

技術的な結果は、最適な形状のコンタクトバンドのプロファイルの輪郭を作成することによって達成される。これにより、プロファイルが最適に滑らかになり、コンタクトバンドのエッジへの局所的な応力の集中が減少する。

本発明を使用すると、メカニカルシールの摩擦ペアの信頼性向上およびその動作の寿命パラメータの増加が達成される。

軸対称コンタクトバンドの提案された形態を有する摩擦ペア（非回転シールリング）の要素を示す図である。非回転シールリングの一つのセクターを示す図である。

本発明の本質は、図１～図２に示される図面によって説明される。

メカニカルシールの摩擦ペアの要素（図１）は、突起のある非回転シールリング１の形態で作られており、波状のプロファイルを持つコンタクトバンドを含む。コンタクトバンド２（平行な２本の波線で示す領域）の外側面３および内側面４は、軸対称プロファイルのセクターごとに、そのプロファイルの輪郭が点Ｍ、Ｎを中心とする半径Ｒ₁、ｒ2、半径ｒ₁とＲ₂による共役の関係にある円弧（図２）が相互に連結することで形成されている。

点Ｍ、Ｎは、各セクターを区切り、非回転シールリング１の中心（Ｏ）を通過する線上にあり、摩擦ペアのシールリング１の接触領域の外側に位置する。この接触領域は、直径Ｄ、ｄを有する外側と内側の２つの同心円によって制限される。２つの同心円の外径Ｄと内径ｄの比は１．２５である。この場合、コンタクトバンド２の幅は一定であり、これらの同心円で囲まれた領域の幅の半分に等しくなっている。

コンタクトバンド２は、各セクターのうち隣合う一方と他方の２つのセクターにおいてその２つのセクターを区切る線を軸とする軸対称の形状をしている。図２は、コンタクトバンド２が角度γで均等に分割された一つのセクターが示されている。このセクターでは、コンタクトバンド２の外側面３の一部は波頂として、外径Ｄの円に接するように形成され、コンタクトバンド２の内側面４の一部は波底として、内径ｄの円に接するように形成されている。したがって、角度γは、コンタクトバンド２の波状プロファイルの各繰り返しセクターの中心角度であり、以下に等しい。

γ＝３６０°/ｎ
ここで、ｎは、コンタクトバンド２の波状プロファイルの半径方向の変化量を示す半径方向ピッチであり、コンタクトバンド２において各セクターの面積が相互に等しくなるセクター数に等しく、軸対称性に従う条件から偶数である。

ｎの値は、軸対称性と常識の条件を考慮して、最適な６、１０、１２、１８の一連の数値から選択することが好都合である。一つのセクターにおけるコンタクトバンド２のプロファイルを示す各波線において共役の関係にある２つの円弧を形成する円を描くための中心Ｍ、Ｎは、外径Ｄと内径ｄの２つの同心円で囲まれた領域の外側に位置する。

メカニカルシールの摩擦ペア要素の製造は、ＮＣ工作機械でターンミル加工により行われるため、旋盤工具の移動軌道をプログラミングするために必要とされるメカニカルシールの摩擦ペア要素のプロファイルの輪郭を構築するための基本パラメータの選択と計算は、次のシーケンスで実行される。

メカニカルシールの摩擦ペアのシールリングの公称接触面積は、波状のプロファイルを持つコンタクトバンド２の面積として事前に計算されており、これは作動媒体の圧力、回転速度、摩擦ペアの材質など、メカニカルシールの動作条件に基づいた計算により決定される。面積の決定の基礎は、漏れを防ぐのに十分な大きさの接触面の面積を確認するための要件と、他との摩擦を最小限に抑える必要性にある。

ポンプユニットの設計上の特徴、特にポンプシャフトの直径に基づいて、非回転シールリング１の外径Ｄと内径ｄ、従って接触領域を制限する２つの同心円が設計時に指定される。この場合、外径Ｄの円はコンタクトバンド２の外側面３を制限し、内径ｄの円はコンタクトバンド２の内側面４を制限する。さらに、メカニカルシールの設計の観点から、内径ｄがポンプシャフトの寸法に直接依存することを理由に、最初のパラメータの１つとして決定される。

メカニカルシールの非回転シールリング１の接触面積を制限する各同心円の直径の比率が設定される。実験的に、外径Ｄと内径ｄの直径の比率をＤ／ｄ＝１．２５として用いることが推奨されることが分かった。直径の比率は、回転しないシールリング１のどのバージョンにおいてもコンタクトバンド２の面積を維持するという原則に基づいて選択される。比率の値が増加すると、コンタクトバンド２の面積の値が増加し、コンタクトバンド２の波状プロファイルの上記半径方向ピッチの減少に繋がる。この点で、非回転シールリング１の非接触領域の面積が増加する。比率の値が１．２５未満の場合、コンタクトバンド２の面積が減少する。その結果、シールリング１の所定の公称接触面積を維持するために、内径ｄを大きくするか、コンタクトバンド２の波状プロファイルの上記半径方向ピッチを大きくする必要が生じる。

内径ｄの値を大きくすると、その非回転シールリング１の強制的なサイズ変更をもたらし、コンタクトバンド２のセクター数の増加は、非接触領域の面積の減少につながり、実際には、コンタクトバンド２の波状をしたプロファイルの形状がより円に近くなる。このことから、比率１．２５の値は、コンタクトバンド２のプロファイルのうねりの高さの比率、繰り返しセクターの数、および非回転シールリング１のサイズの観点から最適であり、摩擦ペアの最適な材料消費も達成される。

必須条件は、コンタクトバンド２の軸対称プロファイルにおける複数のセクターのそれぞれごとに、平行な２本の波線において共役の関係にある２つの円弧を形成するためのそれぞれの円の対応する半径が等しい。

したがって、コンタクトバンド２のプロファイルの２本の波線においてその波頂である円弧を形成するための半径Ｒｐは、次のようになる。

Ｒｐ＝Ｒ₁＝Ｒ₂・・・（式１）
また、コンタクトバンド２のプロファイルの２本の波線においてその波底である円弧を形成するための半径ｒｐは、次のようになる。

ｒｐ＝ｒ₁＝ｒ₂
さらに、ｒｐ＝Ｒｐ－ｂ・・・（式２）
ここで、ｂは、コンタクトバンド２の幅である。

半径Ｒｐは、工作機械の数値制御システムによってコンタクトバンド２のプロファイルの輪郭線のアドレス上の座標（指定されたパラメータに従った支持点の軌道の座標）を計算するための基本パラメータである。

非回転シールリング１の外径Ｄと内径ｄの値を知ることにより、コンタクトバンド２に対する半径Ｒｐの値が求めることができる。このためには、非回転シールリング1の一つのセクターにおいて、非回転シールリング１の中心（Ｏ）と、コンタクトバンド２のプロファイルの２本の各波線における共役の関係にある２つの円弧を形成するための各円の中心Ｍ、Ｎとによって形成される三角形ＯＭＮ（図２）を考える。

この場合、以下の指定が受け入れられる。

辺ＯＭ（長さＡ）は、一つのセクター内で、非回転シールリング1の中心（Ｏ）と、非回転シールリング１の外側面の直径である外径Ｄの円に接するコンタクトバンド２の波状プロファイルリングの一部を形成している円弧の半径の中心Ｍとを結ぶ直線である。

辺ＯＮ（長さＢ）は、一つのセクター内で、非回転シールリング1の中心（Ｏ）と、非回転シールリング１の内側面の直径である内径ｄの円に接するコンタクトバンド２の波状プロファイルリングの一部を形成している円弧の半径の中心Ｎとを結ぶ直線である。

γは、直線ＯＭとＯＮの間の角度であり、ここではγ＝３６０°/ｎである。

辺ＭＮ（長さＣ）は、半径Ｒｐとｒｐの和に等しい長さである。

コンタクトバンド２の幅ｂが接触領域における幅の半分に等しいという条件から、次のようになる。

b=(D-d)/4
ここで、Dとdは、接触領域を区切る２つの同心円の外径Ｄと内径ｄである。

余弦定理に従うと次の関係を有する。

C²＝B²＋A²－2BAcosγ・・・（式３）
また、次の関係を有する。

A=(D/2)-Rp
B=(d/2)+Rp
C=Rp+(Rp-(D-d)/4)=2Rp-(D-d)/4
上記から次の関係を満たす。

(2Rp-(D-d)/4)²=(D/2-Rp)²+(d/2+Rp)²-2(D/2-Rp)(d/2+Rp)cosγ・・・（式４）
ここで、cosγをkで表すと、次の２次方程式が得られる。

2(1-k)Rp²+k(D-d)Rp+(0.5k-0.125)Dd-0.1875(D²+d²)=0・・・（式５）
ここで、最初のnの値を設定する。

例えば、n=18の場合、γ=20°、cos20°=k=0.9397になる。

外径Ｄと内径ｄの直径の値は既知であり、それらの比率はＤ＝１．２５ｄであるため、半径Ｒｐの値は、二次方程式の根として次の（式６）から求めることができる。

次に、ｒｐを上記の（式２）から計算する。

そして、コンタクトバンド２の波状プロファイルリングのうち、一つのセクターにおいて非回転シールリング１の内径ｄに接する部分の中心角α₂の値を余弦定理によって求める。

A²＝B²＋C²－2BCcosα₂
コンタクトバンド２の波状プロファイルリングのうち、上記の一つのセクターにおいて非回転シールリング１の外径Ｄに接する他の部分の中心角α₁の値は、次の（式７）において求めることができる。

ω=180°-α₂-γ
α₁=180°-ω・・・（式７）
ここから、α₁=α₂+γ
次に、最初のｎに対し、コンタクトバンド２の面積Ｓが次の（式８）で計算される。

この（式８）は、次の（式９）として表すことができる。

最初のｎに対するコンタクトバンド２の面積Ｓとして得られた値は、コンタクトバンド２の公称面積の所定の値と比較され、それがどれだけ近いかが決定される。

上記の計算は、面積の値が可能な限り一致するまで、ｎの値を上または下の各値に選択して、次のｎに対して繰り返される。これにより、必要なセクター数を決定できる。計算された面積を公称面積に近づけることにより、最適なｎが決定される。すなわち、波線を形成する半径Ｒｐ、ｒｐがすでに計算されているコンタクトバンドのプロファイルの最適な上記半径方向ピッチの値を決定できる。

このような設計上の制約で作られた非回転シールリングのコンタクトバンドのプロファイルの輪郭は、メカニカルシールの摩擦ペアの要素の形状を最適化し、摩擦ペアの要素の脆化指数を大幅に減らし、耐摩耗性を向上させ、したがって、メカニカルシールの信頼性、効率、および耐用年数を向上させることができる。

Claims

非回転シールリングの形で作られたメカニカルシールの摩擦ペアの要素であって、
対向するシールリングの面との接触を目的とした閉ループ状のコンタクトバンドを含み、
前記コンタクトバンドは、一定幅であり、半径が異なる部分を周方向に有する軸対称プロファイルを備え、
前記軸対称プロファイルは、非回転シールリングの接触領域を定義する２つの同心円の間に配置された２本の平行な波線によって輪郭が形成され、前記コンタクトバンドの幅は、前記接触領域の幅の半分に等しく、
前記コンタクトバンドの軸対称プロファイルの輪郭を形成する２本の平行な波線は、前記軸対称プロファイルにおける各セクターのそれぞれごとに、平行な２本の波線において共役の関係を有する２つの円弧を形成するための円の対応する半径が等しいという条件で形成され、これらの波線における各円弧の中心が、２つの同心円により囲まれる領域の外側に位置し、各セクターを区切り且つ非回転シールリングの中心を通過する２本の線上にあり、
２本の波線のうち外側の波線の波頂が非回転シールリングの接触領域の外側の同心円に接し、内側の波線の波底が内側の同心円に接し、
非回転シールリングの接触領域を制限する前記２つの同心円のうち外側の同心円の外径と内側の同心円の内径の比率が１．２５に等しく、
コンタクトバンドのプロファイルの輪郭を構築するための基本パラメータが次の各式で計算されることを特徴とするメカニカルシールの摩擦ペアの要素。

ここで、Ｒｐは、コンタクトバンドのプロファイルの輪郭を示す波線の波頂である円弧を形成する、コンタクトバンドの構造半径を示す。
ｋは、cosγである。
ｄは、摩擦ペアのシールリングの接触領域を内側から制限する同心円の直径であり、非回転シールリングの内径に等しい。
ｎは、コンタクトバンドの波状プロファイルの半径方向の変化量を示す半径方向ピッチであり、その最適値は、計算された面積の値とコンタクトバンドの公称面積の値との対応を近似することによって選択することによって決定される。
α₂は、それぞれのセクターにおいて、非接触シールリングの内径に接するコンタクトバンドの波状プロファイルのリング部分の中心角を示す。
γは、コンタクトバンドの波状プロファイルの一つのセクターにおける中心角を示す。
Ｓは、メカニカルシールの接触領域を示す。