JPH0122509B2 - - Google Patents

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JPH0122509B2
JPH0122509B2 JP54089188A JP8918879A JPH0122509B2 JP H0122509 B2 JPH0122509 B2 JP H0122509B2 JP 54089188 A JP54089188 A JP 54089188A JP 8918879 A JP8918879 A JP 8918879A JP H0122509 B2 JPH0122509 B2 JP H0122509B2
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JP
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ring
seal
diameter
groove
sealing
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Shedei Josefu
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Crane Packing Co
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Crane Packing Co
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Publication of JPH0122509B2 publication Critical patent/JPH0122509B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal
    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3412—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mechanical Sealing (AREA)
  • Sealing Devices (AREA)
  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Gasket Seals (AREA)
  • Rotary Pumps (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は回転軸とそのハウジングとの間の空間
をシールするための端面シールに関する。このシ
ールは３インチ（7.62cm）以上の軸直径を有し、
かつ高圧力を発生するような、ガスタービンある
いはコンプレツサに使用する場合には特に有利で
ある。 本発明による以前には、これらの環境において
は半径方向のオイルシールが別用されていた。基
本的にはこれらのシールは２あるいはそれ以上の
半径方向シールリングの形状を有しており、これ
は回転軸を密接に取囲み、ハウジングに対しては
シール的に固定されている。ガス圧力以上の圧力
を有したオイルがオイルタンクから、シールリン
グ間のギヤツプによつて郭定された環状チエンバ
ーの中へ圧送される。次にオイルは前記環状チエ
ンバーから回転軸とシールリングとの間に流さ
れ、ガスのリークを防ぎ、これによつてガスシー
ル機能が得られる。これらの半径方向オイルシー
ルは流体漏洩を防ぐには十分であるが、多くの設
計上の欠点を有している。これらの欠点には過大
なオイル冷却系統、オイル循環系統、オイルタン
ク、複雑性、および価格のことが含まれる。さら
に、そのようなシールは、関連するハウジングお
よび配管内のガスが潜在的に汚染されるというこ
と、またエネルギを多量に消費するという機能上
の欠点も有している。 他のものでもこれらの欠点の内の幾つかが認識
されており、ガスコンプレツサに対しては回転型
オイルシールの代替品を提供しようとしてきてい
る。そのようなシールの１つは米国特許第
3575424に示した回転型シールである。このシー
ルはオイルは用いていないが、回転型あるいは外
周ガスシールの他の例である。 他のガスシールは米国特許第3628799に示され
ている。この特許に示されているシールは機械的
な端面シールであり、この場合、シールは対向し
た、相対的に回転する。半径方向の面の間で行な
われる。前記特許は２つの面がギヤツプによつて
分離されているものであり、そこでは冷却を行な
うために十分ではあるがしかし制御されたリーク
を許すようになつている。この特許は静止リング
の変形を中立状態にしなければならないことを教
示している。このことを達成するために、発明者
は流体圧力を配管を介して静止リングおよびその
バツクアツプリングよりも後方にあるチエンバー
に対して送り、これが前面にかかる圧力と対抗す
ることにしている。このような方法で圧力を平衡
させることにより、発明者は変形を防ぎ、リーク
ギヤツプを一定に保持できるといつている。 他のガスシールは米国特許第3804424に示され
ている。この特許に示されたシールもまた機械的
な端面シールであり、これはシールリングの対向
的な半径方向シール面の間のギヤツプと共に作用
して、制御されたリークを許すものである。これ
らのリングは平坦で、半径方向にのびた面を有
し、これらは互いに他に対してシール係合する。
前記リングの１つの表面には、平坦なダム部分に
向かつて内側へのびた、複数個のらせん溝が設け
られている。静的な条件の下では、前記ダムは他
の半径面と共同してハウジングをシールしてい
る。回転すると、溝によつてつくり出された圧力
が前記面を軸方向に移動させてギヤツプを郭定
し、これが潤滑および冷却のための制御されたリ
ークを許す。この特許の発明者はシールワツシヤ
の１つに圧力をかけることにより変形を中立化し
ようとしている。 らせん溝による非接触型の面シールに関する一
般的な設計パラメータは次の出版物の中に記述さ
れている。 ラルフ・ピー・ガブリエル著、「らせん溝によ
る非接触型の面シールの基礎」、ASLE会議、予
稿集 第78−AM−3D−１ ヨセフ セデイ著、
「流体力学効果の増強による、膜状ガスシールの
改良特性」 ASLE会議、予稿集、第78−LC−3B−１ 本出願人の知る限りにおいては、先行の端面シ
ールは、高速、高圧で運転され、かつ大直径を有
するガスタービンやコンプレツサには適用するこ
とができない。本出願人はそのような不具合は、
部分的には、非接触面を十分に平行に調整維持す
ることができないという点によるものと考えてい
る。 従つて、本発明の目的は、シール面を互いに他
に対して十分平行に維持する端面シールを提供す
ることにある。 本発明に関する前記の問題点の解決策は、次の
ようなパラメータを有するシールによつて得られ
る。即ち、 １ ダム巾比約0.5ないし0.8 ２ バランス約0.8ないし0.9 ３ 溝の深さ約0.0001インチないし0.0003インチ
（0.003mmないし0.008mm） 本発明によるシールは面どうしの平行性を改良
し、リングの時計方向あるいは反時計方向のねじ
れの可能性に対する補償をするために、シールリ
ングに対して偶力を加え、シール圧力の過剰分に
対しては界面圧力を発生させることによつて自己
整合させることができる。 本発明の好ましい実施例とその周囲装置が第１
図に示されている。この周囲装置にはコンプレツ
サのハウジング１０と、ハウジングを貫通する回
転軸１２とが含まれる。本発明は空間１４内の高
い圧力を大気Ａに漏洩させないように密封するた
めに用いられる。 図示した実施例においては、環状の主シールリ
ング２０は、環状のメートリング２６の半径方向
面２４に対してシール関係になつた半径方向の面
２２を有している。 前記主リングは環状の保持装置３０によつて所
定位置に保持され、前記保持装置は好ましくは図
示した形状を有している。前記保持装置の一端は
ハウジングの直径減少部分あるいは肩部３２に接
触し、他方、固定スリーブ３４が他の端部と接触
して、本装置の軸方向運動を拘束している。前記
保持装置３０の外周にはＯリングシール３６がの
びていて、ハウジング１０と保持装置３０との間
のリークを防いでいる。前記保持装置３０と前記
主リング２０との間には、複数個のばね３８が、
保持装置３０の外周に沿つて等間隔配置された穴
４０の中に着座している。これらのばねは環状の
デイスク４４に対して作用して、主リング２０を
前記メートリング２６に係合させている。前記主
リング２０とその保持装置との間はＯリング４５
がシールしている。 前記メートリング２６は２つのスリーブ５０，
６０によつて軸方向位置を保持されている。前記
スリーブ５０は前記回転軸１２と同軸的になつて
おり、これには、前記軸１２上の肩部と接触し、
かつメートリング２６を一つの軸方向運動に対し
て拘束するための、半径方向にのびたフランジ５
２が設けられている。別のスリーブ６０はメート
リング２６のもう一方の側の内周と接触してい
る。前記スリーブ５０と６０、および前記リング
２６とは、図の如く軸１２にねじ込まれた保持ナ
ツト６２によつて所定位置に保持されている。Ｏ
リング５３と５５とがメートリングとスリーブと
の間、およびスリーブと軸との間からの流体漏洩
を防いでいる。 図示したように、前記主リング２０は回転運動
ができないように拘束されている。前記メートリ
ング２６は、スリーブ５０のフランジ５２の中に
埋め込まれかつメートリングの凹所６６の中への
び込んだ複数個のピン６４によつて、軸１２と共
に回転させられる。ピン５４が前記スリーブ５０
を軸１２に対して固定している。 操作においては、メートリング２６は、その半
径方向面２４を主リング２０の半径方向面２２に
対してシール関係を持たせながら、前記回転軸と
共に回転する。これらの面の間の相対的な回転摩
擦によつて熱が発生する。はなはだしい熱の発生
を防ぐために、前記シールはギヤツプ型のシール
として作用する。即ち、前記半径面２２と２４と
の間には非常に狭いギヤツプあるいは空間を設け
て、空間１４から大気へのリークあるいは流れを
許す型のシールである。当業界ではよく知られて
いるように、このギヤツプは主リングあるいはメ
ートリングのいずれかの面の中にらせん状の溝７
０を形成することによつて得られる。メートリン
グを回転すると、これらの溝はシール面間に流体
を強制流入させるためポンプとして作用する。そ
のような流体は前記シール面を分離させて、望み
のリークを許す。らせん溝状のギヤツプ型シール
に関する一般的な設計概念はよく知られており、
前述した先行技術の中でも議論されている。 本発明は、主リングおよびメートリングの安定
性を確保するための構造、およびそれらの面どう
しの平行的な整列に関する。前記の安定性と平行
性とが欠除すると、前記リングは過大な熱発生あ
るいは過大な熱除去が原因で、時計方向あるいは
反時計方向に変形し、その結果リングの面どうし
が接触してシール面の破損あるいはシールの破壊
に至ることがある。 シールの安定性は、部分的にはシール面間の流
体膜の堅さに関係する。らせん溝シールの場合に
は、その堅さおよび、従つて、安定性は流体膜の
厚さが減少すればする程増加する。従つて膜の厚
さをできるだけ薄くすることが望ましく、このこ
とはもし圧力変動や温度変動がなくて、面を変形
させたり面接触、面損傷、およびシール破損の危
険性を増すことがないならば、単にシールバラン
スを増加することによつて実行することができ
る。 本発明によると、これらの圧力変動および温度
変動は自己整合機能によつて最少化され、前記シ
ールはより狭い運転ギヤツプ（より狭いフイルム
厚さ）の下で、安定性を増して運転することがで
きる。この自己整合機能は、前記溝の内端におけ
るシール面間の圧力がシール圧力よりも上回つて
おれば得ることができることが発見されている。 本発明の好ましい実施例においては、この自己
整合機能は３つのシールパラメータの値を特定の
範囲内に納めることによつて得られる。これらの
パラメータは、(1) 溝の深さ、(2) シールバラン
ス、(3) ダム巾、である。溝の深さは約0.0001イ
ンチないし約0.0003インチ（0.003mmないし0.008
mm）でなければなない。前記シールバランスは約
0.8ないし約0.9でなければならない。このバラン
スの値は主リングの寸法によつて与えられるが、
図示したようなシールの場合には次の公式によつ
て定義される。即ち、 バランス＝OD2−BD2／OD2−ID2 ここでODはシール面の外径、IDはその内径、
またBDはバランス直径である。ここで用いる場
合には、前記シール面は互いに他と隣接している
面の領域のことになる。 もし、主シールリングがその外周におけるより
もむしろ内周において圧力を受けるものであれ
ば、前記バランスは次の式、即ち、BD2−ID2／OD2−ID2
に よつて与えられる。 最後のパラメータはダム巾の比に関する。本発
明によると、シール面は約0.5ないし0.8のダム巾
比を有していなければならず、この値は次の公式
によつて定義される。 即ち、 (1) ダム巾比＝GD−ID／OD−ID (2) ダム巾比＝OD−GD／OD−ID ここで、GDはシール面の溝領域と平坦領域と
の境界によつて郭定される円の直径（第２図）、
IDはシール面の内径、ODはシール面の外径であ
る。上述の第１の式はらせん溝をメートリングの
外周側に形成した場合に用いられ、第２の式はら
せん溝をメートリングの内周側に形成した場合に
用いられる。 らせん溝のシールがこれらの３つのパラメータ
によつて構成されている時には、ギヤツプとリー
クが小さくされ、主リングがその面上に作用する
圧力に応答して平行な面関係を維持する。第２図
に示す溝の内部の圧力はシールしようとする空間
１４内の気体の圧力よりも大きくなる。この状態
になると、シール面２２と２４とは自己調整する
ことができて、それらを十分に平行に整合維持
し、一定のギヤツプに維持することができる。 通常の運転状態においては、主リング２０は第
３図および第５図に示した点線位置にある。面２
２は面２４に平行になつている。この位置におい
ては、シール作用中は、第４図および第６図の点
線で示したように、シール面における圧力分布が
つくり出される。 今、熱変化あるいは他の要因によつて、面が第
３図の実線によつて示したように内側へ曲がつた
と仮定しよう。本発明の設計パラメータにより、
この曲がりの結果、圧力分布曲線は第４図の実線
で示したようになり、この新しい圧力分布になつ
た結果、主リング２０をその調整された平行位置
へ戻そうとして作用する圧力Ｐ１とＰ２とによつ
て、主リングの重心８０の周りに反時計方向の偶
力Ｃ−１が生じることになる。 もし前記面が外側へ曲がつても同様な効果が得
られる。しかし、この場合は、圧力分布曲線も異
なり、また反対方向への偶力が生じることにな
る。 ここで、本発明の設計パラメータが３つとも本
発明の請求の範囲にて限定した範囲にある場合
(B)、及び３つの設計パラメータのうち溝の深さ及
びダム巾比が範囲外の場合(A)について比較する。
【表】 (A)、(B)の２つの場合についての上記表の数値
は、主リング２０が内側方向及び外側方向に
0.00006ラジアン（0.0034゜）だけ傾けられた際に、
前述のそれぞれの式により導き出されたものであ
る。(A)を第７図に、(B)を第８図にそれぞれ示す。
これの図において、２，５はメートリング２６の
面２４に対し、主リング２０の面２２が平行に面
する場合であり、１，４及び３，６はそれぞれ内
側、外側に主リングが上記の角度だけ傾いた場合
を示す。これら２つの図（グラフ）から明らかな
よううに、各設計パラメータが本発明により限定
された範囲内にあるときは、リーク量が極めて少
く、自己整合機能による、安定したシーリングが
達成される。 従つて、３つのパラメータ、即ち、溝の深さ、
ダム巾の比、およびバランスを適当に設計するこ
とにより、らせん溝のシールは面をほぼ平行に維
持し、全体的に一定のギヤツプを維持させること
が可能である。好ましい実施例においては、メー
トリング２６は変形を最少にするために炭化タン
グステンで形成され、他方、主リングは炭素によ
つて形成されるが、この材料は炭化タングステン
に対して良好に作用し、その弾性係数は圧力分布
によつて生じる偶力による整合を許すために、十
分小さい。当業界ではまた、静止リング２０を炭
化タングステンで作つてもよいことがわかるであ
ろう。例えばらせん溝を静止リング上に位置させ
るといつた他の変更も、本発明の範囲の中に含ま
れる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の好ましい実施例の一部分の垂
直方向中心線に沿つてみた側部断面図、第２図は
本発明の好ましい実施例における１つのシールリ
ングの端面図、第３図は本発明の主リングの、そ
の時計方向への変形の可能性を示した概略的側面
図、第４図および第６図は本発明のシール面間の
動圧の圧力分布線であり、本発明の主シールリン
グの面を自己調整する圧力誘導偶力を示し、第５
図は本発明の主リングの、その反時計方向への変
形の可能性を示した概略図な側面図である。第８
図は設計パラメータが本発明の範囲内のときのギ
ヤツプ巾とリーク量を示し、第７図は範囲外のと
きのギヤツプ巾とリーク量を示す。 図において、１０……ハウジング、１２……回
転軸、２０……主シールリング、２２……主シー
ルリングの面、２４……メートリングの面、２６
……メートリング、７０……らせん溝である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 自己整合型らせん溝ガスシールにおいて、対
    向的な半径方向にのびた面を有した静止的なシー
    ルリングと、主シールリングと、前記リングの１
    つの面の外周から内側へのびたらせん溝とを有
    し、前記リングの内の１つはハウジングに対して
    密封的に固定されるようになつており、他のリン
    グは軸に対して固定されるようになつており、前
    記溝は約0.0001インチないし0.0003インチ（0.003
    mmないし0.008mm）の深さを有し、前記溝は次の
    式即ち、 ダム巾比＝GD−ID／OD−ID ダム巾比＝OD−GD／OD−ID の内の１つによつて約0.5ないし0.8のダム巾比を
    得るように前記リングの面内にのびており、ここ
    で溝の直径は前記面における溝領域と非溝領域と
    の境界によつて郭定された円の直径GDで、IDは
    シール面の内径で、ODはシール面の外径であ
    り、前記シールは次の式即ち バランス＝OD2−BD2／OD2−ID2 によつて0.8ないし0.9のバランスを有しており、
    この場合は前記主シールリングはその外周におい
    て圧力を受け、または バランス＝BD2−ID2／OD2−ID2 の式の場合は、前記主シールリングはその内周に
    おいて圧力を受け、ここでODはシール面の外径
    で、IDは内径で、BDはバランス直径であること
    を特徴とする自己整合型らせん溝ガスシール。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の自己整合型らせ
    ん溝ガスシールにおいて、前記らせん溝は前記面
    の外周から、前記面の中心に向かつてのびている
    自己整合型らせん溝ガスシール。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の自己整合型らせ
    ん溝ガスシールにおいて、前記らせん溝は前記面
    の内周から、前記面の中心に向かつてのびている
    自己整合型らせん溝ガスシール。
JP8918879A 1979-01-15 1979-07-13 Selffaligning type spiral groove gas seal Granted JPS55100471A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/003,251 US4212475A (en) 1979-01-15 1979-01-15 Self aligning spiral groove face seal

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS55100471A JPS55100471A (en) 1980-07-31
JPH0122509B2 true JPH0122509B2 (ja) 1989-04-26

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ID=21704927

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8918879A Granted JPS55100471A (en) 1979-01-15 1979-07-13 Selffaligning type spiral groove gas seal

Country Status (8)

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US (1) US4212475A (ja)
EP (1) EP0013678B1 (ja)
JP (1) JPS55100471A (ja)
AT (1) ATE1433T1 (ja)
AU (1) AU524129B2 (ja)
CA (1) CA1124759A (ja)
DE (1) DE2963474D1 (ja)
MX (1) MX152140A (ja)

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