JPH0613873B2 - 流体フイルムシ−ル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ターボ機械などにおいて、高圧被シール流
体の漏洩を防止する流体フィルムシール装置に関する。

〔従来の技術〕

第６図および第７図に従来の技術による代表的な流体フ
ィルムシール装置の構成を示し、図中１が主軸で、この
主軸１の外周にシールハウジング２が設けられ、このシ
ールハウジング２の図中左側が高圧被シール流体が充満
する機内側、図中右側が機外側である。シールハウジン
グ２の内側には主軸１の外周に嵌合するように一対のシ
ールリング３，４が並列して設けられ、これらシールリ
ング３，４がスプリング５によりシールハウジング２の
内側面に弾性的に当接するように付勢されている。一方
のシールリング３の内周面と主軸１の外周面との間には
隙間Ｓ_１が、他方のシールリング４の内周面と主軸１の
外周面との間には隙間Ｓ_２がそれぞれ確保され、Ｓ_１＜
Ｓ_２の関係となっている。

そして、シールハウジング２の流入孔２ａ…から、機内
側の高圧被シール流体の圧力よりも僅かに高い圧力のシ
ール流体がシールハウジング２内に供給される。このシ
ール流体の大部分は隙間Ｓ_２を通して機外側に流出し、
ごく一部が高圧被シール流体との僅かな差圧により、隙
間Ｓ_１を通して隙間Ｓ_１に流体膜を形成しながら機内側
にドレンとして流入し、これにより高圧被シール流体の
機外への漏出が防止される。

〔考案が解決しようとする問題点〕

一般に、機内側に流入したドレンは、高圧被シール流体
から分離して再生処理するが、このような面倒な再生処
理を軽減するためには、隙間Ｓ_１を通るシール流体の流
量を抑えてドレンの流入をでき得る限り少なく規制する
ことが必要となる。

しかしながら、シール流体の流量を規制し過ぎると、シ
ール流体による冷却効果が減少し、隙間Ｓ_１を通るシー
ル流体の摩擦によって発生する熱量を吸収できなくな
り、シールリング３と主軸１との間で焼付きが発生して
しまう。なお、隙間Ｓ_２の部分においては、Ｓ_１＜Ｓ_２
の関係があり、かつ隙間Ｓ_２が機外側の大気中に開放し
ているから、隙間Ｓ_２を通るシール流体の流量を多く、
したがって発生した熱量はシール流体自身の温度上昇と
して吸収され、焼付けは発生しない。

このようなシールリング３と主軸１との焼付き防止のた
めに、第８図に示すような各種形状のシールリング３が
業界において採用されている。第８図（ａ）では、シー
ルリング３とシールハウジング２との接触面積を減らし
てシールリング３とシール流体との接触面積を増大さ
せ、同図（ｂ）では、シールリング３の熱容量を減らし
てその冷却効果の向上を図り、同図（ｃ）および（ｄ）
では、シールリング３の熱容量を減らすとともに、Ｏリ
ング６によってシール流体の無効な漏洩を防いでいる。
このような４例の他にも各種の方式が採用されている。

しかし限られた軸方向寸法のなかで、ドレンとなるシー
ル流体の流入量を極少に止どめ、しかも焼付けが起らな
いシールリングを設計することは難しく、第８図の４例
においても上記課題を完全には解決し得ていない。

すなわち、シール部の温度を下げるためには、主軸１の
みならず、シールリング３からの適切な熱放出が必要で
あるが、この熱放出が適切でないとき、つまり主軸１に
比べてシールリング３からの熱放出が大きいときには、
シールリング３と主軸１との隙間Ｓ_１が小さくなり、焼
付き現象が発生し易くなる。また、シールリング３の不
均一な温度分布による非対象熱変形はシールリング３と
主軸１の片当りによる焼付け現象の原因となる。

このように、従来の構成では、機内側に対するシール流
体の流入量を減少させるために、シールリングと主軸と
の間の隙間を小さくしたり、シールリングの軸方向長さ
を増大させると、焼付けの発生が逸れ得なくなるという
問題があった。この発明はこのような問題点の解決を目
的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明はこのような問題点の解決のために、肉厚が主
軸方向長さよりも小さく、外周面に複数の突起を有し、
かつ所定内径を有する中空円筒状のシールリングと、円
周方向に複数個の流体流入孔を有する外部シールハウジ
ングと、この外部シールハウジングの内面および上記シ
ールリングの外周面との間に隙間をもって外部シールハ
ウジングの内部に固定された内部シールハウジングとを
備え、上記外部シールハウジング側に装着されたＯリン
グを介して外部シールハウジングの内側面と上記シール
リングの側面とを係合させるとともに、隙間を介して内
部シールハウジングの側面と上記シールリングの突起と
を対向させたものである。

〔作用〕

Ｏリングによりシールリングと外部シールハウジングと
の金属接触が防止され、かつシールリングの薄肉長軸円
筒形状により、このシールリングの均一な冷却が達成さ
れ、不均一な変形が防止される。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について第１図ないし第５図
を参照して説明する。

図中１１は主軸、１２は外部シールハウジングで、この
外部シールハウジング１２の周面にその周方向に沿って
均等的に多数の流入孔１３…が形成されている。外部シ
ールハウジング１２の内周面には環状の内部シールハウ
ジング１４が取付けられ、この内部シールハウジング１
４と外部シールハウジング１２との間でその周方向に沿
う環状の第一の通路１５が形成され、この第一の通路１
５に上記各流入孔１３…が連通している。１６は主軸１
１の外周に設けられた機内側のシールリングで、このシ
ールリング１６の外周面と内部シールハウジング１４の
内周面との間で幅の狭い環状の第二の通路１７が形成さ
れ、上記第一の通路１５がこの第二の通路１７を通して
主軸１１の外周側のシール室１８に連通している。

シール流体は各流入孔１３…から第一の通路１５に流入
し、さらにこの第一の通路１５から第二の通路１７を経
てシール室１８に流入する。このシール流体の圧力は、
機内側の高圧被シール流体の圧力よりも僅かに高く、こ
のためシール室１８に流入したシール流体は主軸１１の
外周面とシールリング１６の内周面との間の隙間Ｓ_１に
流体膜を形成して機内側の高圧被シール流体の漏洩を防
止する。

ここで、機内側のシールリング１６は、肉厚ｔ、軸方向
長さｗ、内径Ｄとしたとき、ｔ＜ｗ、ｔ＜Ｄ／１０に設
定されている。そして、このシールリング１６の形状
は、単純薄肉筒形で、回転軸中心線および半径方向中心
線に対して完全対称にある。非対称な形状では、どのよ
うな巧みな冷却を行なっても、不均一な変形を防ぐこと
はできない。

そして、ｔ＜ｗであれば、シールリング１６の両側の
Ｂ、Ｃ面（第５図参照）の放熱量の差によるシールリン
グ１６の不均一な軸方向変形が発生し難く、ｔ＜Ｄ／１
０であればシールリング１６の内外周のＡ、Ｄ面の温度
差による隙間Ｓ_１の減少が発生し難い。

このようなシールリング１６の寸法の設定は、多数の流
体フィルムシールが装着されたターボ機械、特にターボ
圧縮機のオイルフィルムシール装置の実用機実績を解析
することによって得られた経験値に基づくものである。

外部シールハウジング１２には、シールリング１６と対
向する内側面にＯリング２０が装着され、このＯリング
２０にシールリング１６の側面が接触している。第４図
に示すように、シールリング１６には差圧による矢印方
向の押圧力が加わり、この押圧力でＯリング２０が弾性
的に圧縮変形するが、その圧縮度合は一定に抑制され、
外部シールハウジング１２とシールリング１６との間に
常に隙間Ｓ_３が確保されており、これによりシールリン
グ１６から外部シールハウジング１２への熱伝達が防止
され、またＯリング２０により隙間Ｓ_３からのシール流
体の漏洩が防止される。従来においても、第８図
（ｃ）．（ｄ）に示すように、シールハウジング２とシ
ールリング３との間にＯリング６を装着する例はある
が、これはシール流体の漏れ止めを目的としているのみ
で、Ｏリング６の弾性変形に応じてシールリング３とシ
ールハウジング２とが金属接触してしまうものである。
なお、本実施例のＯリング２０としては、耐油性、耐老
化性に優れ、かつ圧縮永久歪みが生じない材料を用いる
ことが望ましい。

シールリング１６の外周面側の幅の狭い第二の通路１７
には、シール流体が高速で流れ、このためシールリング
１６の外周面全域からの均一な熱伝達が促進される。こ
のことは、ｔ＜ｗとしていることと合せて、該面よりの
放熱が大きいために上記Ｂ、Ｃ面の放熱の差による変形
が防止される。また、ｔ＜Ｄ／１０としているため、該
面よりの放熱が大きくても、上記Ａ、Ｂ面の温度差が少
なく、シールリング１６の過冷却による隙間Ｓ_１の減少
が発生するようなことがない。

このようなことから、隙間Ｓ_１が小さく、シールの幅ｗ
の長いシールリング１６の使用が可能となり、したがっ
て焼付きを防止し、かつシール流体の機内側への流入を
確実に減少させることができる。

ところで、シールリング１６に対する軸方向の位置決め
および回転止めを図る装置を設ける必要があるが、この
装置をシールリング１６の薄肉円筒部に設けると、該部
に金属接触に伴う局部的伝熱冷却現象が発生し、薄肉長
軸円筒構造の採用によるシールリング１６の温度均一化
の効果が損われ、非対称熱変形を起して焼付きの原因と
なりかねない。

そこで、この発明の実施例では、第１図および第３図に
示すよに、シールリング１６の外周部に複数（本実施例
では３つ）の突起２２…を均等的に設け、これら突起２
２…を内部シールハウジング１４の側面に隙間Ｓ_４をお
いて対向させ、また突起２２…にはＵ字状の溝２３…を
形成し、一方、外部シールハウジング１２の内側面に各
突起２２…に対応してピン２４…を取付け、これらピン
２４…を上記溝２３…の内側にそれぞれ臨ませてある。
これによりシールリング１６は内部シールハウジング１
４との間に隙間Ｓ_４を保持して軸方向に対する位置決め
が図られ、かつピン２４…と溝２３…とにより回転止め
が図られる。

上記突起２２…は位置決めに必要な最少限の寸法となっ
ており、また摺動面から離れた面Ｂに設けられているの
で、シールリング１６の薄肉長軸円筒構造が損われるこ
とがない。そして、シールリング１６と静止部との金属
接触は唯一溝２３…とピン２４…との接触点のみに限ら
れ、したがってシールリング１６の局部的な伝達冷却現
象による不均一な変形が防止される。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明によれば、Ｏリングにより
シールリングと外部シールハウジングとの金属接触が防
止され、かつシールリングの薄肉長軸円筒形状により、
このシールリングの均一な冷却が達成される不均一な変
形が防止され、したがって機内側へのシール流体の流入
量を確実に減少させてその再生処理の軽減を図ることが
できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はこの発明の一実施例を示し、第１
図は縦断面図、第２図は横断面図、第３図は第１図中の
III部の拡大断面図、第４図は第１図中のIV部の拡大断
面図、第５図はシールリングの断面図、第６図は従来装
置を示す断面図、第７図は第６図中のVII−VII線に沿う
断面図、第８図は従来のシールリングの各形状を示す断
面図である。 １１……主軸、１２……外部シールハウジング、 １３……流入孔、１４……内部シールハウジング、 １６……シールハウジング、２０……Ｏリング、２２…
…突起。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】肉厚が主軸方向長さよりも小さく、外周面
   に複数個の突起を有し、かつ所定内径を有する中空円筒
   状のシールリングと、円周方向に複数個の流体流入孔を
   有する外部シールハウジングと、この外部シールハウジ
   ングの内面および上記シールリングの外周面との間に隙
   間をもって外部シールハウジングの内部に固定された内
   部シールハウジングとを備え、上記外部シールハウジン
   グ側に装着されたＯリングを介して外部シールハウジン
   グの内側面と上記シールリングの側面とを係合させると
   ともに、隙間を介して内部シールハウジングの側面と上
   記シールリングの突起とを対向させたことを特徴とする
   流体フィルムシール装置。