JPH04231776A - 能動磁気シ―ル - Google Patents

能動磁気シ―ル

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JPH04231776A
JPH04231776A JP3133398A JP13339891A JPH04231776A JP H04231776 A JPH04231776 A JP H04231776A JP 3133398 A JP3133398 A JP 3133398A JP 13339891 A JP13339891 A JP 13339891A JP H04231776 A JPH04231776 A JP H04231776A
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JP
Japan
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ring
shaft
stator
winding
magnetic
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Withdrawn
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JP3133398A
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English (en)
Inventor
Robert P Whitford
ロバート・ポール・ウィットフォード
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F16J15/3436—Pressing means
    • 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
    • F16J15/3436—Pressing means
    • F16J15/3444—Pressing means by magnetic attraction

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、タ―ビンの回転シャフ
トやその他の回転装置で使用するようなシ―ル手段（装
置）に係る。
【０００２】
【従来の技術】回転装置からの漏れを制御するためのラ
ビリンスシ―ル、カ―ボンシ―ルおよびメカニカルシ―
ルなどのようなシ―ル手段は、その利点および欠点と共
に公知である。
【０００３】たとえば、蒸気タ―ビンに使用されるラビ
リンスシ―ルは非接触式であり、したがって寿命は長い
が、比較的漏れの割合が高いため補助的なグランドシ―
ルシステムが必要である。そのようなグランドシ―ルシ
ステムは、高圧の蒸気を、グランドシ―ル機構で必要と
される数ポンド／平方インチの圧力まで減圧するために
極めて複雑で重量のあるシ―ルレギュレ―タを含んでい
る。さらに複雑さを増す装備として、いくつかのバルブ
、高圧および低圧ドレン、エア―エジェクタおよび排気
凝縮器ならびに蒸気と空気の排気用配管がある。このよ
うなシステムの重量と空間に関する要件は厳しい。たと
えば、通常の船のエンジンル―ムにおけるこのような支
持装備は３トンになると推定されている。
【０００４】一方、カ―ボンリングシ―ルは接触式であ
り、蒸気の漏れを最少にすることができるが、部品間の
接触のために摩耗速度がかなり高くなる。
【０００５】ロ―タリ―ギャップ式のシ―ルもガ―ドナ
―（Ｇａｒｄｎｅｒ）に対して発行された米国特許第３
，４９９，６５３号に示されているように公知である。 この特許では、高速で非接触式であり、流体力学的な力
を利用してシ―ル面間の分離を制御することによって漏
れを制御するガスシ―ルが教示されている。しかし、低
速および／または低圧では多少の接触が普通起こってお
り、摩耗を引起こすと共に損傷の可能性がある。
【０００６】また、米国特許第４，４３４，９８７号お
よび第４，４４７，０６３号に示されているように、回
転リングとそれを取囲む非回転リングとの間のギャップ
（隙間）中にシ―ル用流体をポンプで送入しステ―タ素
子内のボアを介して排出するようなシャフトシ―ルにお
いてそのギャップを制御するために電磁石を使用するこ
とも公知である。これらの装置は、非回転シ―ルリング
に軸方向の力を加えるために弾性ベロ―部材も含んでい
る。
【０００７】
【発明の目的】本発明の目的は、ガスの漏れ、重量、空
間要件およびコストを最低限に抑えながら摩耗寿命を延
ばすことによって、従来技術のシ―ル装置の制約を克服
することである。
【０００８】
【発明の概要】簡単に述べると、本発明者は、シ―ルす
べきシャフトに固定された回転リングの両側のステ―タ
素子内に配置されてスプリングによりバイアスをかけら
れた円柱形状の電磁石を１個以上組込むことによって、
上記のような目的を達成できるということを発見したの
である。回転リングとスプリングを取付けた磁石との間
のギャップは境界シ―ルであり、これを厳密に制御する
ことによって、このリングおよびリングが取付けられて
いるシャフトの周辺を完全に取囲む小さいクリアランス
を維持することができる。このような装置は、従来技術
で使用されていた精巧なシ―ル用流体ポンプ手段や排気
ベントを必要としない。さらに、ステ―タとロ―タとの
間の距離、したがってギャップの大きさを検出するロ―
タ位置感知手段を電子制御器と組合せて組込むことによ
って、境界シ―ルクリアランスを動的に制御することが
可能になる。
【０００９】さらにまた、この装置は二次的なシ―ル手
段として幾何学的ラビリンスシ―ルを組込むことが可能
であり、その結果、蒸気／ガスタ―ビン、コンプレッサ
、その他の回転装置からの漏れを制御するのに有用であ
る本発明のシャフトシ―ルの安全性が増大する。
【００１０】
【発明の詳細な記述】現在のところ好ましい本発明の具
体例に関する以下の詳細な説明を添付の図面と共に注意
深く検討すると、本発明の上記の目的とその他の目的お
よび利点がさらによく理解できるであろう。
【００１１】本発明の能動磁気シ―ルの具体例では、ガ
ス漏れ、摩耗、複雑さおよびコストを最小にする目的で
、磁気ベアリングと乾式流動ガスシ―ルの発展中の技術
を組合せることによって、ステ―タとロ―タの面の間の
動的に制御された磁気ギャップを得る。図１に本発明の
具体例の基本要素を示す。この具体例はタ―ビンなどの
シャフト１を含んでおり、このシャフトの上には、ステ
―タに向かって半径方向に伸びシャフトの周囲を完全に
取巻いているロ―タリング２が取付けられている。この
ロ―タはスロットや巻線をもたない強磁性材料の積層体
からなっている。
【００１２】ステ―タ素子３と４も積み重ねた強磁性材
料の積層体でできており、シャフト１の周囲を完全に取
巻いて伸びている。しかし、このステ―タ素子には円周
方向に溝（スロット）がきってあり、巻線５、６、７、
８が収容されている。この巻線もシャフトの周辺を完全
に取巻いて伸びている。
【００１３】この巻線は軸方向には可動であるが、スロ
ット内にきちんと受容されており、図に概略を示したよ
うにスプリングによりバイアスをかけられている。この
ステ―タの電磁石巻線は図示のようにスプリングでバイ
アスをかけられているので、ロ―タとの軸方向の間隔を
極めて狭く厳密に維持するように自由に移動可能である
。また、ロ―タおよび／またはステ―タもスプリングに
より裏当てし、いずれか一方あるいは両方が浮動できる
ようにして、ステ―タとロ―タの面の間のギャップを広
げたり縮めたりする傾向のある熱膨脹、振動などを相殺
することもできる。
【００１４】図示してあるようにシャフトの周囲を完全
に取巻きほぼロ―タリングに沿って伸びる電磁巻線は、
ロ―タの両側で境界シ―ルを形成しており、静的条件と
動的条件のいずれにおいても巻線とロ―タとの間の極め
て小さいクリアランスを維持するように配置することが
できる。
【００１５】図示した具体例の装置では、ロ―タリング
の半径方向外側の端にラビリンスシ―ルを組込むことも
可能であり、それによって付加的なシ―ル手段が得られ
る。この素子９のシ―ル効果は移動可能な巻線によって
得られる効果に対して二次的なものではあるが、そのよ
うな二次シ―ルまたはバックアップシ―ルによって図示
した装置の全体的なシ―ル能力が増大すると共に主たる
一次シ―ル手段が壊れた場合の安全性が保証される。
【００１６】図１には、ロ―タ面とステ―タ面の変位を
検出する位置センサの配置も示してある。電磁石によっ
て発生する磁場は、ステ―タ面に対するロ―タの軸方向
の位置の関数として変調される。この軸方向の位置自体
は、位置センサが発生する信号を、軸方向の所望のゼロ
位置（これは巻線とロ―タ面との間の磁気ギャップがロ
―タの両側で等しい場合に相当する）を示す参照信号と
比較して制御される。
【００１７】ロ―タの位置が変化すると、図２に例示し
たような電子制御器が位置センサと協働してその変位を
検出する。その後、適当な電磁石（複数のこともある）
に電流が流れ、次にその電磁石が軸方向の所望のゼロ位
置の方向へステ―タを押付ける。
【００１８】図２の回路は、漏れ制御用のステ―タおよ
びロ―タ面間の磁気ギャップを動的に制御するための電
子制御ル―プのひとつの具体例である。このような回路
は、位置センサに応答して適当な矯正作用（力）を決定
し、増幅された信号を電磁石に向けて発するアナログま
たはディジタル式コンピュ―タを用いて実行することも
できるであろう。
【００１９】位置センサ１０と１１により連続的フィ―
ドバック機構が得られ、信号が参照信号と組合せられ比
較されて適当な大きさと極性のエラ―信号が形成される
。このエラ―信号を使用して増幅後電磁石を制御するこ
とができ、ステ―タをその正規の位置まで押したり、お
よび／または引いたりすることができる。こうして、ロ
―タと磁石の巻線との間のクリアランスを約１ミルに維
持することができる。このクリアランスがロ―タの両側
で境界シ―ルを形成するのである。
【００２０】ロ―タの一方の側では比較的高圧の流体が
多少漏れて比較的低圧の雰囲気中に出ていくことがある
かもしれないが、ロ―タのもう一方の側では、磁石巻線
とロ―タとの間の比較的小さいギャップを動的に維持す
ることによってそのような漏れが最小限になる。さらに
、ラビリンスシ―ル９によっても、二次的またはバック
アップ的とはいうもののシ―ル機能が得られる。このよ
うに、本発明のシ―ル手段は漏れがかなり少なく、しか
も非接触式であるので摩耗がない。加えて、従来技術の
他のシ―ルと比較してかなり簡単である。
【００２１】現状で最も実用的で好ましい態様であると
考えられる具体例に関して本発明を説明して来たが、本
発明はここに開示した具体例に限られることはなく、逆
に、特許請求の範囲で定義される本発明の思想および範
囲内に包含されるさまざまな修正および等価な変更を含
むものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシャフトシ―ルの具体例の半径方向の
部分断面図である。
【図２】ステ―タとロ―タの面間の磁気ギャップを動的
に制御するための電気制御器のひとつの具体例の回路の
略図である。
【符号の説明】
１　　シャフト、２　　ロ―タリング、３、４　　ステ
―タ素子、５、６、７、８　　巻線、９　　ラビリンス
シ―ル、１０、１１　　位置センサ。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　回転シャフト用の磁気シ―ルであって
    、該シャフトに固定されており、半径方向に伸びる対向
    側面とこれら側面を連結する端面とを有する回転リング
    と、該リングの少なくとも一方の側で前記シャフトの周
    辺を取囲んで伸びており、半径方向に伸びる面が前記リ
    ングの側面から間隔をおかれこれと対面しているステ―
    タ素子（このステ―タ素子は前記リングの側面と対面し
    て半径方向に伸びる面内に円周方向に伸びる溝をもって
    いる）と、前記溝内に形成され、前記半径方向に伸びる
    面を越えて前記リングの側面の方に向かって伸びていて
    、回転リングとステ―タ素子との間の漏れを制御するた
    めのシ―ルギャップ対を形成している電気巻線と、該巻
    線に電力を供給して該巻線と前記リングとの間にギャッ
    プを磁気的に形成するための電気制御ル―プとからなる
    磁気シ―ル。
  2. 【請求項２】　　さらに、前記溝内の前記巻線の下に弾
    性素子も含んでおり、それにより、該巻線が軸方向で自
    由に弾性移動できて前記回転リングとの軸方向の間隔を
    厳密に維持する、請求項１記載の磁気シ―ル。
  3. 【請求項３】　　前記リングの両側にステ―タ素子を含
    んでおり、さらに、該ステ―タ素子を連結するハウジン
    グ素子も含んでいて前記ギャップ間の回転リングの前記
    端面を実質的に包囲するようになっている、請求項１記
    載の磁気シ―ル。
  4. 【請求項４】　　さらに、前記ハウジング素子と回転リ
    ングの前記端面との間に位置するラビリンスシ―ルも含
    んでいる、請求項３記載の磁気シ―ル。
  5. 【請求項５】　　回転リングとステ―タ素子が、強磁性
    材料を積み重ねた積層体から形成されている、請求項１
    記載の磁気シ―ル。
  6. 【請求項６】　　電気制御ル―プが、前記巻線と前記回
    転リングの側面との間の相対的変位を示す信号を発生す
    るための位置センサを含んでいる、請求項１記載の磁気
    シ―ル。
  7. 【請求項７】　　電気制御ル―プがさらに、センサ信号
    を参照信号と比較して、前記巻線により加えられるべき
    磁気矯正作用の大きさと方向を示すエラ―信号を発生す
    るための比較器も含んでいる、請求項６記載の磁気シ―
    ル。
  8. 【請求項８】　　前記シャフトがタ―ビンシャフトであ
    り、前記シ―ルにより高圧ガスのシャフトに沿った漏れ
    を制御する、請求項１記載の磁気シ―ル。
  9. 【請求項９】　　シャフトまたはステ―タ素子がスプリ
    ングによりバイアスをかけられていて熱膨脹が許容され
    または振動を補償する、請求項１記載の磁気シ―ル。
  10. 【請求項１０】　　ステ―タおよびロ―タの面間に動的
    に制御された磁気ギャップを設けて回転シャフトの回り
    の漏れを制御する方法であって、軸方向に伸びる面によ
    って連結されている対向側面をもち半径方向に伸びるロ
    ―タリングを前記シャフトに固定し、ロ―タリングの前
    記側面から間隔をおかれこれと対面している半径方向に
    伸びる面をもつステ―タリング素子（このステ―タ素子
    は前記半径方向に伸びる面内に軸方向に伸びる周辺溝を
    もっている）を準備し、前記溝内に電磁石巻線を設け、
    これを該溝から軸方向に伸ばすことによって、各巻線と
    前記ロ―タ側面との間にギャップが形成されるようにし
    、前記ロ―タの各側面でギャップの線形変位を感知し、
    そして、該感知に応答して、前記巻線に適当な大きさと
    極性の電力を供給して前記ギャップを磁気的に制御して
    実質的に等しい変位とする（ただし、この変位は前記シ
    ャフトの回りの漏れが効果的に制御されるように充分に
    小さい）、ことからなる方法。
JP3133398A 1990-05-23 1991-05-10 能動磁気シ―ル Withdrawn JPH04231776A (ja)

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US527,520 1990-05-23
US07/527,520 US5064205A (en) 1990-05-23 1990-05-23 Active magnetic seal

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JPH04231776A true JPH04231776A (ja) 1992-08-20

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