JPH0571830B2 - - Google Patents

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JPH0571830B2
JPH0571830B2 JP20184384A JP20184384A JPH0571830B2 JP H0571830 B2 JPH0571830 B2 JP H0571830B2 JP 20184384 A JP20184384 A JP 20184384A JP 20184384 A JP20184384 A JP 20184384A JP H0571830 B2 JPH0571830 B2 JP H0571830B2
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Japan
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oil
seal
spring
foil
dump
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Takashi Sugita
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IHI Corp
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Publication date
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Publication of JPS6182075A publication Critical patent/JPS6182075A/en
Publication of JPH0571830B2 publication Critical patent/JPH0571830B2/ja
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00Sealings
    • F16J15/44Free-space packings
    • F16J15/445Free-space packings with means for adjusting the clearance

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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)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は軸シール装置に係り、特に固定系たる
軸シールエレメントに可撓性をもたせてシール機
構を向上させた非接触型の軸シール装置に関す
る。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a shaft seal device, and in particular to a non-contact type shaft seal device in which the sealing mechanism is improved by imparting flexibility to the shaft seal element, which is a fixed system. Regarding.

[従来の技術] 従来の円筒型軸シール装置は、第17図に示す
如く、回転軸1に平行なシールリング2の平面で
回転軸1との間にシールすき間Cを形成しつつ、
垂直な平面をケーシング3の平面に圧接させ、こ
の接触圧力によつて回転部分の密封を行なう緩衝
機構を有する構成となつている。また、端面型軸
シール装置は、第18図に示す如く、回転軸ラン
ナ4に平行なシールリング5の平面でランナ4と
の間にシールすき間を形成して回転部分の密封を
行なう緩衝機構を有する構成となつている。した
がつて従来から実施されている軸シール装置は、
いずれにあつても回転系、固定系ともに剛体面で
構成さている。
[Prior Art] As shown in FIG. 17, a conventional cylindrical shaft seal device forms a seal gap C between the seal ring 2 and the rotary shaft 1 in a plane parallel to the rotary shaft 1.
The structure includes a buffer mechanism that brings a vertical plane into pressure contact with the plane of the casing 3 and seals the rotating portion by this contact pressure. In addition, the end face type shaft seal device has a buffer mechanism that seals the rotating part by forming a seal gap between the plane of the seal ring 5 parallel to the rotating shaft runner 4 and the runner 4, as shown in FIG. It is configured to have Therefore, the conventional shaft sealing device is
In either case, both the rotating system and the fixed system are composed of rigid surfaces.

[発明が解決しようとする問題点] ところが、上述した従来のものでは軸シールが
回転系、固定系ともに剛体面で構成されているの
で、次のような問題があつた。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the above-mentioned conventional shaft seal, both the rotary system and the stationary system are composed of rigid surfaces, and therefore the following problems occur.

(1) 円筒型シールの場合、高速回転すると軸受流
体のせん断熱および軸1の遠心膨張により、シ
ールすき間Cが小さくなる傾向にあるが、著し
いときにはC=Oとなり焼付きに至る。
(1) In the case of a cylindrical seal, when rotating at high speed, the seal gap C tends to become smaller due to the shear heat of the bearing fluid and the centrifugal expansion of the shaft 1, but if it becomes significant, C=O and seizure occurs.

また、固定系たるシールリング2は摺動性を
良好にするため、カーボングラフアイト等がし
ばしば使用されるが、線膨張係数が小さいため
すき間の管理が困難となる。
Furthermore, carbon graphite or the like is often used for the seal ring 2, which is a fixed system, in order to improve slidability, but it has a small coefficient of linear expansion, making it difficult to manage gaps.

(2) 端面型シールの場合、第18図で二点鎖線で
示す如く、シール面間の流体のせん断熱による
変形が生じ、この変形により合せ持つ軸受機能
が低下し、接触のトラブルが発生する。
(2) In the case of end-face seals, as shown by the two-dot chain line in Figure 18, deformation occurs due to the shear heat of the fluid between the seal surfaces, and this deformation reduces the joint bearing function and causes contact problems. .

(3) また、いずれの場合も径方向又は軸方向に十
分なばね性がないため自動調心性が劣る。
(3) In either case, self-alignment performance is poor because there is not sufficient springiness in the radial or axial direction.

このように、従来のものではシール面が共に
剛だから、高速・高温時におけるシールすき間
を安定にせまく保持することが困難であつた。
As described above, in the conventional sealing surfaces, both of the sealing surfaces are rigid, making it difficult to maintain a stable seal gap at high speeds and high temperatures.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、シール面の固定系にばね性と
減衰性とをもたせて高速・高温の条件下でもシー
ルすき間を安定にせまく保持することを可能とす
る軸シール装置を得ようとするものである。
An object of the present invention is to provide a shaft seal device that can stably maintain a narrow seal gap even under high-speed and high-temperature conditions by providing a sealing surface fixing system with spring properties and damping properties. It is.

[発明の概要] 上記目的に沿う本発明の構成は、回転軸に臨ん
でこれとの間に流体膜圧を発生してシールすき間
を形成する弾性のシールフオイルを設け、次いで
このシールフオイルの回転軸と反対側にシールフ
オイルを制振する弾性のダンプフオイルを重ね、
更にこのダンプフオイルにこれを固定系支承面に
弾性支持する弾性のスプリングフオイルを重ねた
弾性フオイル積層構造を有したものである。これ
により、弾性フオイル板厚方向のバネ性、減衰性
が回転軸の周方向に分布して作用するようにし、
高速・高温時にシールすき間が無くなつたり、焼
付きが生じないようにしたものである。
[Summary of the Invention] The structure of the present invention in accordance with the above object is to provide an elastic sealing oil that faces the rotating shaft and generates a fluid film pressure therebetween to form a sealing gap, and then An elastic damp oil is layered on the opposite side of the rotating shaft to dampen the vibrations of the seal oil.
Furthermore, it has an elastic foil laminated structure in which an elastic spring foil for elastically supporting the dump foil on the fixed system support surface is layered. As a result, the spring properties and damping properties in the thickness direction of the elastic foil are distributed and act in the circumferential direction of the rotating shaft.
This prevents the seal gap from disappearing and seizure from occurring at high speeds and high temperatures.

また、上述したシールフオイルとダンプフオイ
ルとスプリングフオイルとを連続して一体形成し
て、この一体形成した一枚の弾性フオイルを回転
軸と固定系支承面との間に巻回して組込んだ弾性
フオイル積層構造を有したものである。これによ
り、フオイルの積層構造を得るために、個別のフ
オイルを重ねるのではなく、1枚の弾性フオイル
を巻回するだけで積層できるようにし、シールエ
レメントに弾性体を使用することにより部品点数
が増大したり、組立作業が煩雑になつたりしない
ようにしたものである。
In addition, the seal oil, dump oil, and spring oil described above are continuously formed integrally, and this integrally formed single piece of elastic oil is wound and incorporated between the rotating shaft and the fixed system support surface. It has an elastic foil laminated structure. As a result, in order to obtain a laminated structure of foils, instead of stacking individual foils, it is possible to stack them by simply winding a single sheet of elastic foil, and by using an elastic body for the seal element, the number of parts can be reduced. This prevents the size from increasing and the assembly work from becoming complicated.

[実施例] 本発明の実施例を第1図〜第16図に基づいて
説明すれば以下の通りである。
[Example] An example of the present invention will be described below based on FIGS. 1 to 16.

第1図〜第4図はガス,蒸気,油等をプロセス
流体とする非接触型の軸シール構造のうちの軸受
機能を合わせ持つ円筒型シール構造の実施例を示
す。第1図に示す如く、本実施例に係るシール構
造は、固定系たるケース7の支承面8上に、順に
スペーサ9で浮かされたスプリングフオイル1
0,同じくスペーサ9で浮かされたダンプフオイ
ル11、そして密接されたシールフオイル12の
基本的に3枚の可撓性を有する薄板(弾性フオイ
ル)を積層するとともに、一端をキー13で係止
固定してなり、内殻のシールフオイル12と回転
軸14とのシールすき間Cに形成される流体膜圧
のばね・減衰機能と、積層フオイル構造によるば
ね・減衰機能との双方の機能によつて回転部分の
シールを行なうようになつている。
1 to 4 show an embodiment of a cylindrical seal structure that also has a bearing function, which is a non-contact type shaft seal structure that uses gas, steam, oil, etc. as a process fluid. As shown in FIG. 1, the seal structure according to the present embodiment includes a spring oil 1 which is suspended by a spacer 9 on a support surface 8 of a case 7 which is a fixed system.
0.Basically, three flexible thin plates (elastic foils) are stacked, a dump oil 11 also floated by a spacer 9, and a seal oil 12 brought into close contact, and one end is locked and fixed with a key 13. Rotation is caused by both the spring and damping function of the fluid film pressure formed in the seal gap C between the sealing oil 12 of the inner shell and the rotating shaft 14, and the springing and damping function of the laminated oil structure. It is designed to seal the parts.

各弾性フオイルはスペーサ9も含めて第2図に
示す如きフイルム形状をした別体構造で、ケース
7内に挿入されてリング状に支承面8を覆うよう
になつている。すなわち、スプリングフオイル1
0は上下面ともフラツトな弾性フオイルから成
り、これを支承面8から部分的に浮かすスペーサ
9の機能はラダーフオイル15が果している。ラ
ダーフオイル15は弾性フオイルの幅方向に両端
部分16,16を残して穿設した長さL0′の矩形
状窓部17を長さ方向に並設したもので、矩形状
窓部17,17間の竪格子がスプリングフオイル
10のスペーサ9となる。
Each elastic foil, including the spacer 9, is a separate film-shaped structure as shown in FIG. 2, and is inserted into the case 7 to cover the bearing surface 8 in a ring shape. That is, spring oil 1
0 is made of flat elastic foil on both the upper and lower surfaces, and the rudder oil 15 fulfills the function of the spacer 9 to partially float it from the bearing surface 8. The ladder oil 15 has rectangular windows 17 with a length L 0 ' that are bored in the width direction of the elastic oil leaving both end portions 16, 16, and are arranged in parallel in the length direction. The vertical lattice becomes the spacer 9 of the spring oil 10.

ダンプフオイル11は下面がフラツトであるけ
れども上面に流体が局所的に満たされ得る形状任
意なポケツト18が約板厚の半分の深さで長さ方
向に所定間隔を隔てて加工してある。図示例で
は、ポケツト18は十字形をしている。ダンプフ
オイル11をスプリングフオイル10から部分的
に浮かすスペーサ9の機能は、スプリングフオイ
ル10の場合に使用したと同一形状のラダーフオ
イル15が果す。2つのラダーフオイル15,1
5の差異は、特に第1図からわかるように、ケー
ス7内への挿入組立時にスペーサ9のピツチを二
分の一ずらして取り付ける点、すなわち、スプリ
ングフオイル10を支承するスペーサ9,9間に
ダンプフオイル11のスペーサ9が来るようにず
らして積層する点にある。このように竪格子たる
スペーサ9,9をずらした2枚のラダーフオイル
15,15間にスプリングフオイル10を介在さ
せるようにしたのは、スプリングフオイル10に
波状変形性を与えてばね機能を持たせるためであ
る。このばね機能を有する領域は、フオイル全幅
Lではなく、両端部分16,17を除く矩形状窓
部17の長さL0′の部分である。両端部分16,
17の長さL−L0′の部分は、ばね性はなく、フ
オイル間は密着し、気密を保つ機能を有する。
Although the dump oil 11 has a flat lower surface, pockets 18 of any shape capable of being locally filled with fluid are machined on the upper surface at predetermined intervals in the length direction at a depth of about half the plate thickness. In the illustrated example, the pocket 18 is cross-shaped. The function of the spacer 9 to partially float the dump oil 11 from the spring oil 10 is performed by the rudder oil 15 having the same shape as that used for the spring oil 10. 2 rudder oils 15,1
As can be seen from FIG. 1, the difference between the spacers 9 and 9 is that the pitch of the spacer 9 is shifted by half when it is inserted into the case 7, that is, the pitch between the spacers 9 supporting the spring oil 10 is changed. The point is that the dump oil 11 is stacked in a shifted manner so that the spacer 9 is aligned with the spacer 9. The reason why the spring oil 10 is interposed between the two rudder oils 15, 15 with the vertical lattice spacers 9, 9 shifted is that the spring oil 10 is given wave-like deformability and has a spring function. This is to make it possible. The region having this spring function is not the entire width L of the foil, but the length L 0 ' of the rectangular window 17 excluding both end portions 16 and 17. Both end portions 16,
The length L-L 0 ' of 17 has no spring properties and has the function of keeping the foils in close contact with each other to maintain airtightness.

シールフオイル12は下面がフラツトであるけ
れども上面がL0(<L0′)のシール領域を有する断
面凸形状をしている。そして、凸部たるシール領
域面は、本シールが非接触型のクリアランスシー
ルであることから、摺動性,耐摩耗性を考慮した
表面処理を適宜施してある。図示例ではシールフ
オイル12がプレーン型であるが、この形状は任
意であり、スパイラルグルーブ,ヘリングボー
ン・ポケツト型等いずれでもよい。また、その中
央で長さ方向に所定間隔を隔てて複数個のオリフ
イス19が設けてあり、このオリフイス19の真
下に恰度ダンプフオイル11のポケツト18が来
るようにシールフオイル12をダンプフオイル1
1上に重ねる。このようにオリフイス19をポケ
ツト18に連通するように重ねたのは、シール領
域で形成される流体膜圧をオリフイス19を通し
てポケツト18に解放することによりダンプフオ
イル11上面とシールフオイル12下面間に局所
的に流体膜を形成させてスクイズ膜ダンパ機能を
ダンプフオイル11に与えるためである。ポケツ
ト18に流体膜圧が作用したときダンプフオイル
11の径方向外方への弾性変形が許容されるよう
に、オリフイス19,ポケツト18位置はダンプ
フオイル11を支承するスペーサ9,9間にもつ
てくる。また、隣り合うオリフイス19,ポケツ
ト18の間隔は、第1図の図示例ではスペーサ間
ピツチの2倍となるようにしてある。
The sealing oil 12 has a flat lower surface but a convex upper surface having a sealing area of L 0 (<L 0 '). Since this seal is a non-contact type clearance seal, the surface of the seal area, which is a convex portion, is appropriately subjected to surface treatment in consideration of slidability and wear resistance. In the illustrated example, the sealing oil 12 is of a plain type, but this shape may be arbitrary, such as a spiral groove or a herringbone pocket type. Further, a plurality of orifices 19 are provided at the center thereof at predetermined intervals in the length direction, and the seal oil 12 is placed in the dump oil 1 so that the pocket 18 of the dump oil 11 is directly below the orifice 19.
Lay it on top of 1. The reason why the orifice 19 is stacked so that it communicates with the pocket 18 is that the fluid film pressure formed in the sealing area is released to the pocket 18 through the orifice 19, thereby creating a local gap between the upper surface of the dump oil 11 and the lower surface of the seal oil 12. This is to provide the damp oil 11 with a squeeze film damper function by effectively forming a fluid film. The orifice 19 and the pocket 18 are located between the spacers 9, which support the dump oil 11, so that elastic deformation of the dump oil 11 in the radial direction outward is allowed when fluid film pressure is applied to the pocket 18. Further, the distance between adjacent orifices 19 and pockets 18 is set to be twice the pitch between spacers in the illustrated example of FIG.

このようにしてフオイルエレメントは、シール
すき間Cが形成する流体膜圧のばね・減衰要素以
外に、フオイル間で形成するばね・減衰要素が支
承面8の周方向に分布して配置されることにな
る。
In this way, in the foil element, in addition to the fluid film pressure spring/damping element formed by the seal gap C, the spring/damping element formed between the foils is distributed and arranged in the circumferential direction of the bearing surface 8. become.

なお、フオイルエレメントの窓部17,ポケツ
ト18,オリフイス19,凸部等は公知のフオト
エツチング技術等で加工成形する。
Note that the window portion 17, pocket 18, orifice 19, convex portion, etc. of the foil element are processed and formed by known photo etching techniques.

第3図及び第4図は、ケース7内に挿入すべく
円筒形に一巻きしたフオイルエレメントの合せ部
を示すもので、合せ端部の一方に凸部20を形成
し、他方にこの凸部2と係合する凹部21を形成
し、これらを嵌め合せるようにしたもので、これ
によりフオイルエレメント間のシール性を保持す
るようになつている。
Figures 3 and 4 show a mating part of a foil element wound into a cylindrical shape to be inserted into the case 7, and a convex part 20 is formed on one of the mating ends, and this convex part is formed on the other end. A recessed portion 21 is formed to engage with the portion 2, and these are fitted together, thereby maintaining sealing performance between the foil elements.

このようにして構成されたケース7とフオイル
エレメントから成るフオイル軸シールエレメント
22を実際に軸シール装置に適用したのが第5図
〜第7図である。第5図は緩衝機構を有するフロ
ーテイングリング形式を、第7図は固定リング型
をそれぞれ示している。
FIGS. 5 to 7 show the foil shaft seal element 22 composed of the case 7 and the foil element constructed in this manner actually applied to a shaft seal device. FIG. 5 shows a floating ring type having a buffer mechanism, and FIG. 7 shows a fixed ring type.

さて、上記のような構成において、回転軸14
の高速回転が始まつたり、雰囲気温度が高温にな
つたりすると、流体のせん断熱や回転軸の膨張に
よりシールすき間Cが小さくなるので、第1図に
おいて、シールすき間Cに発生する流体膜圧が一
段と高くなり、この流体膜圧によつてシールフオ
イル12が径方向外方へ押される。したがつて、
ラダーフオイル15のスペーサ9により弾性変形
が許容されるように支承面8上に積層して支持さ
れたスプリングフオイル10とダンプフオイル1
1のうちのスプリングフオイル10が波状に弾性
変形する。また、高速回転に伴う回転軸14の自
励振動によりシールすき間Cに発生する昇圧流体
膜圧の一部は、シールフオイル12に穿設したオ
リフイス19を通つてダンプフオイル11の上面
に形成したポケツト18に導かれる。このダンプ
フオイル11上面のポケツト18に導かれた流体
膜圧は、流路面積がオリフイス19よりもポケツ
ト18の方が大きくなつているので、シールすき
間Cに形成されている高圧の流体膜圧を低下させ
ることなく十分大きなものとすることができ、そ
のため可撓性を有するダンプフオイル11は局所
的に径方向外方へ変位し、変位した部分に流体が
局所的に満たされることになる。
Now, in the above configuration, the rotating shaft 14
When high-speed rotation starts or the ambient temperature becomes high, the seal gap C becomes smaller due to the shear heat of the fluid and the expansion of the rotating shaft. This fluid film pressure pushes the sealing oil 12 radially outward. Therefore,
A spring oil 10 and a dump oil 1 are stacked and supported on the bearing surface 8 so that elastic deformation is allowed by the spacer 9 of the ladder oil 15.
One of the spring oils 10 is elastically deformed in a wave-like manner. In addition, part of the increased fluid film pressure generated in the seal gap C due to self-excited vibration of the rotary shaft 14 due to high-speed rotation is transferred to a pocket formed on the upper surface of the dump oil 11 through an orifice 19 bored in the seal oil 12. Guided by 18. The fluid film pressure guided to the pocket 18 on the upper surface of the dump oil 11 reduces the high pressure fluid film pressure formed in the seal gap C since the pocket 18 has a larger flow path area than the orifice 19. Therefore, the flexible dump oil 11 is locally displaced radially outward, and the displaced portion is locally filled with fluid.

ところで、軸シール装置を高速・高温で安定に
作動させるためには、流体膜圧によるばね・減衰
要素以外に外部の適切なばね・減衰要素がシール
面に沿つて配置されていることが必要である。
By the way, in order for the shaft seal device to operate stably at high speeds and high temperatures, it is necessary to have appropriate external springs and damping elements placed along the sealing surface in addition to the springs and damping elements based on fluid film pressure. be.

ところが、本実施例ではその外部の適切なば
ね・減衰機能を、積層した5枚のフオイル構造に
より構成している。すなわち、ばね要素として、
シールすき間Cに発生する流体膜圧の作用によつ
てスプリングフオイル10が支承面8の周方向に
沿つて波状変形するので、周方向にばねが分布し
て配置されることになる。また、外部減衰要素と
してシールすき間Cに発生する昇圧流体膜圧の作
用によつてダンプフオイル11が局所的に変位し
流体が周方向に沿つて局所的に満たされるので、
この満たされた部分がスクイズ膜ダンパとして機
能し、この機能が周方向に分布して配置されるこ
とになる。したがつて、本実施例による軸シール
構造によれば高速で発生する外乱や自励振動を効
果的に吸収あるいは制止するとともに、高速・高
温下で小さくなろうとする傾向にあるシールすき
間Cをゼロとすることなく、安定に且つ極めて小
さく保持することができる。
However, in this embodiment, the appropriate external spring and damping functions are constructed by a laminated five foil structure. That is, as a spring element,
Since the spring oil 10 is deformed in a wave-like manner along the circumferential direction of the bearing surface 8 by the action of the fluid film pressure generated in the seal gap C, the springs are distributed and arranged in the circumferential direction. In addition, the dump oil 11 is locally displaced by the action of the pressurized fluid film pressure generated in the seal gap C as an external damping element, and the fluid is locally filled along the circumferential direction.
This filled portion functions as a squeeze film damper, and this function is distributed and arranged in the circumferential direction. Therefore, the shaft seal structure according to this embodiment can effectively absorb or suppress disturbances and self-excited vibrations that occur at high speeds, and can also reduce the seal gap C, which tends to become smaller at high speeds and high temperatures, to zero. It can be held stably and extremely small without causing any damage.

また、シールフオイル12とダンプフオイル1
1との面間はその大部分が密着しており、ダンプ
フオイル11及びスプリングフオイル10とラダ
ーフオイル15,15の両端部分16,17との
間も密着し、更にフオイルエレメントの合せ端部
も嵌め合せて隙間を小さくするようにしてあるの
で、密封性の向上をはかることができる。
Also, seal oil 12 and dump oil 1
Most of the surfaces with 1 are in close contact, and the dump oil 11 and spring oil 10 are also in close contact with both end portions 16, 17 of the rudder oil 15, 15, and the mating ends of the oil elements are also fitted. Since the gap is also made smaller, it is possible to improve the sealing performance.

また、もともとの自動調心作用があるフローテ
イング型軸シール装置は勿論のこと、固定式の軸
シール装置にあつても、シールエレメンがばね・
減衰性を有するフオイル積層構造を採用している
ため、この構造自身で自動調心性が付与されるこ
ととなり、回転軸14の接触を有効に回避するこ
とができる。
In addition, not only floating type shaft seal devices which have the original self-aligning effect, but also fixed type shaft seal devices, the seal element is spring-loaded.
Since a foil laminated structure having damping properties is adopted, this structure itself provides self-aligning properties, and contact with the rotating shaft 14 can be effectively avoided.

すなわち、本実施例によれば回転軸14の熱・
遠心力による変形・膨張に対応して機能する能力
は、従来の剛体シール装置のそれをはるかにしの
ぐという特長がある。このため、高速回転するタ
ーボ機械一般、特に高温または低温の流体をプロ
セス流体とするターボ圧縮機,ターボ膨張機,タ
ーボチヤージヤー,ターボ冷凍機等に適用してメ
リツトが大きい。
That is, according to this embodiment, the heat of the rotating shaft 14
Its ability to function in response to deformation and expansion caused by centrifugal force far exceeds that of conventional rigid seal devices. Therefore, it is advantageous to apply it to turbomachines in general that rotate at high speed, particularly turbocompressors, turboexpanders, turbochargers, turbo refrigerators, etc. that use high-temperature or low-temperature fluids as process fluids.

第8図は第1図の実施例の変形例を示すもの
で、第1図と異なる点は、スプリングフオイル3
0,ダンプフオイル31,シールフオイル32を
連続して一体加工し、これをケース33の支承面
34上に三重巻きしてスプリングフオイル30の
端部に設けたキー35によつてケース33に係止
固定した点である。一体加工した弾性フオイル3
6は、第9図に示す如く、左からスプリングフオ
イル部S,ダンプフオイル部D,シールフオイル
部Eの順に連続している。スプリングフオイル部
Sとダンプフオイル部Dとに形成される矩形状凹
部37,37は、既述のラダーフオイル15の場
合の如き穴の開いた窓ではなく、底部厚みt1を残
した凹部である。矩形状凹部37はピツチbで長
さ方向に複数個形成されているが、スプリングフ
オイル部Sとダンプフオイル部Dとの境界部は特
に1.5bのピツチで大きく形成してある。このよう
に形成すれば、三重巻きしてケース33内に組ん
だとき、スプリングフオイル部Sのスペーサ3
8,38間にダンプフオイル部Dのスペーサ38
が位置するようになつて、ばねを周方向に分布し
て配置することができる。したがつて、スプリン
グフオイル部Sとダンプフオイル部Dとに表裏を
貫通しない矩形状凹部37を設けることによつ
て、別体フオイルのとき必要としたラダーフオイ
ル15が不要となり、スプリングフオイル30及
びダンプフオイル31自身がスペーサ38を有す
ることになる。一方、シールフオイル部Eの凸部
に形成されるオリフイス39はこれを連通するポ
ケツト40をシールフオイル部Eに一体的に有し
ている。したがつて、シールフオイル32が重な
るダンプフオイル31表面に別個にポケツト40
を形成する必要がない。
FIG. 8 shows a modification of the embodiment shown in FIG. 1, and the difference from FIG. 1 is that the spring oil 3
0. Dump oil 31 and seal oil 32 are continuously processed into one piece, and are wrapped three times around the bearing surface 34 of case 33 and connected to case 33 by key 35 provided at the end of spring oil 30. This is a fixed point. Integrated elastic foil 3
6, as shown in FIG. 9, a spring oil portion S, a damp oil portion D, and a seal oil portion E are successive in this order from the left. The rectangular recesses 37, 37 formed in the spring oil portion S and the dump oil portion D are not windows with holes as in the case of the ladder oil 15 described above, but are recesses with a bottom thickness t 1 remaining. A plurality of rectangular recesses 37 are formed in the length direction with a pitch b, and the boundary between the spring oil portion S and the damp oil portion D is particularly large with a pitch of 1.5b. If formed in this way, when triple-wound and assembled in the case 33, the spacer 3 of the spring oil portion S
Spacer 38 of dump oil part D between 8 and 38
The springs can be distributed and arranged in the circumferential direction. Therefore, by providing a rectangular recess 37 in the spring oil portion S and the dump oil portion D that does not pass through the front and back sides, the ladder oil 15 that is required when using separate foils is no longer necessary, and the spring oil 30 and dump oil 31 itself has a spacer 38. On the other hand, the orifice 39 formed in the convex portion of the seal oil portion E has a pocket 40 integrally connected thereto. Therefore, a pocket 40 is separately provided on the surface of the dump oil 31 where the seal oil 32 overlaps.
There is no need to form.

このように本変形例では5枚も必要としていた
フオイルをたつた1枚のフオイルでシールエレメ
ントを構成できて、部品点数が少なく軸シール構
造の成形・組立・加工が更に容易になり、低コス
ト化がはかれるという利点が得られる。
In this way, in this modified example, the seal element can be constructed with one foil instead of the five foils that were required, and the number of parts is reduced, making molding, assembly, and processing of the shaft seal structure easier, resulting in lower costs. This has the advantage of being able to be quantified.

次に、本発明を非接触型端面シール装置に適用
した実施例について説明する。
Next, an embodiment in which the present invention is applied to a non-contact type end face sealing device will be described.

第10図に示す如く端面型シール構造の構成原
理は円筒型シール構造と基本的に同様で、中央に
軸孔を有するスプリングフオイル42,これとほ
ぼ同一形状のダンプフオイル43,シールフオイ
ル44の3枚の円板状弾性フオイルから成り、ダ
ンプフオイル43とスプリングフオイル42とは
その下面に放射状に並んだ複数個の扉形状凹部4
5を有している。第11図に示す如く扉形状凹部
45は円板上フオイルの外周側に気密を保つとと
もに複数の取付け孔46を設けるための取付けリ
ング47を残すために外周側で閉塞し、また内周
側に大きな弾性変形を許容させるために内周側で
開放している。スプリングフオイル42とダンプ
フオイル43との違いは、取付孔46の周方向位
置に対する、周方向に複数個等配されている扉形
状凹部45の加工位置に差があることである。す
なわち、第10図に示すく、扉形状凹部45のピ
ツチ角θの1/2だけ互いにずらして加工してあり、
これによりフオイル板厚方向のばね性を周方向に
分配して有するようになつている。一方、シール
フオイル44は上面に複数本のスパイラルグルー
プ48を刻設した場合を例示してあり、スパイラ
ルグループ48の外周側には複数個の取付孔46
を穿設した取付リング47が、内周側にはシール
性能を大きく支配するランド部49が形成されて
いる。スパイラルグループ48は第12図に示す
くフオイル厚さの二分の一ぐらいの深さでランナ
の回転方向を示す矢印方向に漸次幅狭となつてい
る。
As shown in FIG. 10, the construction principle of the end seal structure is basically the same as that of the cylindrical seal structure, and includes a spring oil 42 having a shaft hole in the center, a dump oil 43 having almost the same shape, and a seal oil 44. Consisting of three disc-shaped elastic foils, the dump oil 43 and the spring oil 42 have a plurality of door-shaped recesses 4 arranged radially on their lower surfaces.
5. As shown in FIG. 11, the door-shaped concave portion 45 is closed on the outer circumferential side to maintain airtightness on the outer circumferential side of the disk-top oil and to leave a mounting ring 47 for providing a plurality of mounting holes 46, and is closed on the inner circumferential side. The inner circumferential side is open to allow large elastic deformation. The difference between the spring oil 42 and the dump oil 43 is that there is a difference in the machining position of a plurality of door-shaped recesses 45 equally distributed in the circumferential direction with respect to the circumferential position of the mounting hole 46. That is, as shown in FIG. 10, the door-shaped recesses 45 are processed to be shifted from each other by 1/2 of the pitch angle θ,
As a result, the springiness in the thickness direction of the foil is distributed in the circumferential direction. On the other hand, the seal oil 44 is illustrated as having a plurality of spiral groups 48 engraved on its upper surface, and a plurality of mounting holes 46 are formed on the outer circumferential side of the spiral group 48.
A mounting ring 47 is provided with a land portion 49 on the inner circumferential side that largely controls sealing performance. The spiral group 48 has a depth of about one-half the thickness of the foil shown in FIG. 12, and its width gradually becomes narrower in the direction of the arrow indicating the direction of rotation of the runner.

第13図は、かかる3枚のフオイルエレメント
を取り付けた非接触型端面シール装置の実施例を
示している。フオイルエレメントの取付リング4
7,47,47部分を重ねて取付板50に置き、
取付孔46を合せて締付板51を重ね、取付ボル
ト52で締め込むことにより、3枚のフオイルエ
レメント間の径方向の密封性を高めている。フオ
イルエレメントを締め込んだランナ56側と反対
側の取付板50の一端には、ホルダ53に連結し
た気密性のあるベローズ等の弾性部材54が接合
され、ホルダ53間との気密を保ちつつフオイル
軸シールエレメント55を弾性支持している。
FIG. 13 shows an embodiment of a non-contact type end face sealing device equipped with such three foil elements. Oil element mounting ring 4
7, 47, and 47 parts are overlapped and placed on the mounting plate 50,
By aligning the mounting holes 46, overlapping the clamping plates 51, and tightening the mounting bolts 52, the sealing performance in the radial direction between the three foil elements is improved. An elastic member 54 such as an airtight bellows connected to the holder 53 is connected to one end of the mounting plate 50 on the opposite side to the runner 56 side where the foil element is tightened, and the elastic member 54 is connected to the holder 53 while maintaining airtightness between the holders 53 and the holder 53. The oil shaft seal element 55 is elastically supported.

既述の円筒型シール装置は真円のプレーン軸受
として機能させ、狭いシールすき間Cを安定に保
持させてシール機能を発揮させるものであるが、
スパイラルグループ型端面シール装置は特にグル
ープ48の昇圧作用により軸受機能とシール機能
を発揮させるものである。すなわち、端面型シー
ル構造は、第10図に示すくポンプ・イン型のス
パイラルグループ48をシールフオイル44上面
に加工し、第13図に示すように、低圧側(外周
側P2)の流体を高圧側(内周側P1)へ向けてポ
ンプ・インさせるように設計してある。したがつ
て、スパイラルグループ48は、軸受機能ととも
に、低圧側流体P2をグループエンドまで昇圧さ
せて、高圧流体P1の外方流出を妨げる作用を果
たし、もつてシール性能を高める機能を発揮す
る。なお、シール性能はシールフオイル44のラ
ンド部49のシールすき間Cの大小に依存すると
ころ大であり、このランド部49のシールすき間
Cをいかに安定に小さく保持できるかが全体のシ
ール性能を支配する。
The cylindrical seal device described above functions as a perfectly circular plain bearing and stably maintains the narrow seal gap C to exert its sealing function.
The spiral group type end face sealing device exhibits a bearing function and a sealing function particularly by the pressure increasing action of the group 48. That is, in the end face type seal structure, a pump-in type spiral group 48 as shown in FIG. 10 is machined on the upper surface of the seal oil 44, and as shown in FIG . It is designed to pump in toward the high pressure side (inner peripheral side P 1 ). Therefore, the spiral group 48 not only has a bearing function but also functions to raise the pressure of the low-pressure side fluid P 2 to the group end and prevent the high-pressure fluid P 1 from flowing outward, thereby enhancing the sealing performance. . It should be noted that the sealing performance largely depends on the size of the seal gap C between the land portion 49 of the seal oil 44, and how the seal gap C between the land portion 49 can be stably kept small governs the overall seal performance. do.

ところで、非接触型端面シール構造の設計上、
圧力バランスは重要である。第14図に示す如
く、シールフオイル44上面に作用するP2
P′〜P1の積分値と、取付板50に作用するP2
P1および弾性部材54等のオフセツトF0の総和
が定常状態で等しくなるように圧力バランスを定
める。ここでP′はスパイラルグループ48のグル
ープエンド部で発生する圧力であり、P2,P1は、
回転数および作動すき間の関数である。
By the way, due to the design of the non-contact end seal structure,
Pressure balance is important. As shown in FIG. 14, P 2 ~ acting on the upper surface of the seal oil 44
The integral value of P′ ~ P 1 and P 2 acting on the mounting plate 50,
The pressure balance is determined so that the sum of P 1 and the offset F 0 of the elastic member 54 etc. is equal in a steady state. Here, P' is the pressure generated at the group end of the spiral group 48, and P 2 and P 1 are:
It is a function of rotational speed and working clearance.

また、スパイラルグループ型ではポンプ・アウ
ト型も考えられる。これはグループを内周側に設
けランド部を外周側に設けた構造であり、第15
図に示すような圧力バランスとなる。すなわち、
グループのポンピング機能は、P2の低圧側流体
を外方に昇圧させ軸受機能をもたさせるととも
に、P1の高圧側流体が内周側へ流入するのを制
限する効果がある。以上のようなシール機能は通
常の剛体面シールにおいても同様な作用があるの
で、フオイル構造の特性ではない。
In addition, a pump-out type can also be considered as a spiral group type. This is a structure in which the group is provided on the inner circumferential side and the land portion is provided on the outer circumferential side.
The pressure balance will be as shown in the figure. That is,
The pumping function of the group has the effect of increasing the pressure of the low-pressure side fluid of P2 outward and providing a bearing function, and restricting the high-pressure side fluid of P1 from flowing into the inner peripheral side. The above-mentioned sealing function is not a characteristic of the foil structure, since a normal rigid face seal has a similar effect.

特にフオイル構造の端面シールが剛体面シール
に比して優れた機能を発揮するのは高速領域にお
いてである。すなわち、非接触型端面シールは非
常に狭い作動すき間で運転されることになるの
で、高速領域では流体のせん断熱による面内発熱
が生じ、シール面が熱変形して平面度が低下す
る。ところが、本発明によるフオイル構造の非接
触端面シールは、上述の熱変性に対応できる機能
を有する。第16図に示す如く、ランナ56が変
形しても扉形状凹部45を有するスプリングフオ
イル42及びダンプフオイル43でバツクアツプ
されるシール面は可撓性を有するので、ランナ5
6の変形に対応した変位を呈することができ、非
接触性を保持することができる。その結果、シー
ル面の熱変形に起因する高速シールの使用限界の
低下防止をはかることができ、この種トラブルの
原因を解消できる。また、フオイルエレメントの
可撓性の効果は、熱変形のみならず遠心変形,異
物侵入等に対する許容度の向上にも及び、実用性
を格段と拡張することができる。
In particular, end face seals with a foil structure exhibit superior functionality compared to rigid face seals in high-speed ranges. That is, since the non-contact type end seal is operated with a very narrow operating clearance, in-plane heat generation occurs due to fluid shear heat in a high-speed region, and the sealing surface is thermally deformed and its flatness is reduced. However, the non-contact end seal having a foil structure according to the present invention has a function that can cope with the above-mentioned thermal denaturation. As shown in FIG. 16, even if the runner 56 is deformed, the sealing surface backed up by the spring oil 42 and dump oil 43 having the door-shaped recess 45 has flexibility, so the runner 56
6, and can maintain non-contact property. As a result, it is possible to prevent the use limit of the high-speed seal from decreasing due to thermal deformation of the sealing surface, and the cause of this type of trouble can be eliminated. Furthermore, the flexibility of the foil element extends not only to thermal deformation but also to improved tolerance against centrifugal deformation, intrusion of foreign matter, etc., and can greatly expand practicality.

[発明の効果] 以上要するに本発明によれば次のような優れた
効果を発揮する。
[Effects of the Invention] In summary, the present invention exhibits the following excellent effects.

(1) シールフオイル,ダンプフオイル及びスプリ
ングフオイルから成る弾性フオイル積層構造を
有するため、高速・高温時に発生する流体のせ
ん断熱や熱・遠心膨張によつてシール面間が変
形しても、弾性フオイルのばね性や減衰性によ
りシールすき間がゼロとなつたり、接触したり
することがないから、焼付きや抱着き等のトラ
ブルが生ぜず、したがつて安定に小すき間を保
持することができる。
(1) Since it has an elastic oil laminated structure consisting of seal oil, dump oil, and spring oil, even if the seal surfaces are deformed due to shear heat of the fluid that occurs at high speeds and high temperatures, and thermal and centrifugal expansion, the elastic oil remains intact. Due to the springiness and damping properties of the oil, the seal gap never becomes zero or there is no contact, so problems such as seizing or clinging do not occur, and a small gap can be stably maintained. .

(2) しかも、弾性フオイルのばね性と減衰性によ
り大きな自動調心作用が得られるので、組立が
容易となる。
(2) Furthermore, the spring and damping properties of the elastic foil provide a large self-aligning effect, making assembly easy.

(3) また、シールフオイルとダンプフオイルとス
プリングフオイルとを別体でなく連続して一体
成形したため部品点数が少なく、低コスト化を
はかることができる。
(3) Furthermore, since the seal oil, dump oil, and spring oil are integrally molded continuously rather than separately, the number of parts is small, and costs can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の好適一実施例を示す要部正断
面図、第2図は第1図におけるフオイルエレメン
トの展開斜視図、第3図はスプリングフオイル,
ダンプフオイル又はシールフオイルの合せ端部の
嵌合状態を説明する斜視図、第4図はラダーフオ
イルの合せ端部の嵌合状態を説明する斜視図、第
5図はフオイル軸シールエレメントを組込んだフ
ローテイングリング型軸シール装置の側断面図、
第6図は第5図のフオイル軸シールエレメントの
正断面図、第7図はフオイル軸シールエレメント
を組込んだ固定リング型軸シール装置の側断面
図、第8図は第1図の変形例を示す正断面図、第
9図は第8図におけるフオイルエレメントの展開
図、第10図は本発明の他の実施例を示すフオイ
ルエレメントの分解平面図、第11図は第10図
におけるスプリングフオイル又はダンプフオイル
の要部斜視図、第12図は同シールフオイルの要
部斜視図、第13図は第10図のフオイルエレメ
ントを組込んだ端面シール装置の側断面図、第1
4図はスパイラルグループ型端面シールのポン
プ・イン型圧力バランスの状態図、第15図は同
じくポンプ・アウト型圧力バランスの状態図、第
16図は第13図におけるランナが変形した場合
のフオイルエレメントの対応を示した断面図、第
17図は従来の円筒型シールの概略構成図、第1
8図は同じく端面型シールの概略構成図である。 図中、8は固定系支承面、10はスプリングフ
オイル、11はダンプフオイル、12はシールフ
オイル、14は回転軸、30はスプリングフオイ
ル、31はダンプフオイル、32はシールフオイ
ル、34は固定系支承面、36は連続して一体と
なつた弾性フオイル、42はスプリングフオイ
ル、43はダンプフオイル、44はシールフオイ
ル、56は軸ランナである。
FIG. 1 is a front sectional view of essential parts showing a preferred embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the foil element in FIG. 1, and FIG. 3 is a spring foil,
Fig. 4 is a perspective view illustrating the fitted state of the mating ends of the dump oil or seal oil, Fig. 4 is a perspective view illustrating the fitted state of the mating ends of the rudder oil, and Fig. 5 shows the oil shaft seal element incorporated. Side sectional view of floating ring type shaft seal device,
6 is a front sectional view of the foil shaft seal element shown in FIG. 5, FIG. 7 is a side sectional view of a fixed ring type shaft seal device incorporating the foil shaft seal element, and FIG. 8 is a modification of FIG. 1. 9 is a developed view of the foil element shown in FIG. 8, FIG. 10 is an exploded plan view of the foil element showing another embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a exploded view of the foil element shown in FIG. FIG. 12 is a perspective view of the main parts of the spring oil or damp oil, FIG. 13 is a side sectional view of an end seal device incorporating the oil element of FIG. 10, and FIG.
Figure 4 is a state diagram of the pump-in type pressure balance of the spiral group type end seal, Figure 15 is a state diagram of the same pump-out type pressure balance, and Figure 16 is the oil diagram when the runner is deformed in Figure 13. Fig. 17 is a cross-sectional view showing the correspondence of elements, and Fig. 17 is a schematic configuration diagram of a conventional cylindrical seal.
FIG. 8 is also a schematic diagram of the end face type seal. In the figure, 8 is a fixed system bearing surface, 10 is a spring oil, 11 is a dump oil, 12 is a seal oil, 14 is a rotating shaft, 30 is a spring oil, 31 is a dump oil, 32 is a seal oil, and 34 is a fixed oil. In the system bearing surface, 36 is a continuously integrated elastic foil, 42 is a spring foil, 43 is a damp oil, 44 is a seal oil, and 56 is a shaft runner.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 回転軸と固定系支承面との間に、流体膜圧を
発生してシールすき間を形成するシールフオイル
と、該シールフオイルを制振するダンプフオイル
と、該ダンプフオイルを上記固定系支承面に弾性
支持するスプリングフオイルとから成る弾性フオ
イル積層構造を有することを特徴とする軸シール
装置。 2 液体膜圧を発生して回転軸との間にシールす
き間を形成するシールフオイルと、該シールフオ
イルを制振するダンプフオイルと、該ダンプフオ
イルを固定系支承面に弾性支持するスプリングフ
オイルとが連続して一体となつた弾性フオイルを
形成し、この弾性フオイルを上記回転軸に巻き付
けるごとく回転軸と固定系支承面との間に積層し
てなる弾性フオイル積層構造を有することを特徴
とする軸シール装置。
[Scope of Claims] 1. A sealing oil that generates a fluid film pressure to form a seal gap between a rotating shaft and a fixed system bearing surface, a damping oil that dampens vibrations of the sealing oil, and a damping oil that dampens the damping oil. A shaft seal device characterized in that it has an elastic foil laminated structure comprising a spring foil elastically supported on the fixed system support surface. 2 Seal oil that generates a liquid film pressure to form a seal gap with the rotating shaft, a damp oil that dampens vibrations of the seal oil, and a spring oil that elastically supports the damp oil on a fixed system support surface. are continuously integrated to form an elastic foil, and the elastic foil is laminated between the rotating shaft and the fixed system support surface so as to be wrapped around the rotating shaft. Shaft seal device.
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