JPH07117166B2 - 非接触形シール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえばタービン、ブ
ロワおよびコンプレッサ等の回転形空気機械の軸シール
に用いられるもので、回転軸心に対して垂直な面内での
漏れを制限するようになされた非接触形シール装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種の非接触形シール装置で
は、ケーシングを貫通した回転軸とともに回転する回転
シールリングの軸心に垂直な端面と、上記ケーシング側
に保持された静止リングにおける上記端面に対向する端
面とを両者の非接触シール面としている。

【０００３】シール面を非接触に保つ従来の典型構造の
一つに、図８に示すように、回転シールリング８１のシ
ール面８１ａに外周側から内周側へ向かう動圧発生用の
スパイラル状の溝８２を全周に周方向等間隔に形成し、
回転シールリング８１の回転により、そのスパイラル状
の溝８２によるポンピング作用により、シール面間に圧
力流体が強制的に取り込まれ、シール面を浮き上がらせ
るものがある。

【０００４】しかし、このような構成においては、ガス
タービンやコンプレッサの中で高速かつ高圧で運転され
るものでは、上記シール面同志を安定な平行状態に保つ
ことが難しく、良好なシール性を発揮させにくい。この
ため、すでに、特公平１−２２５０９号公報等に開示さ
れているように、回転シールリングと静止リングとのシ
ール面に自己整合機能をもたせるように工夫したものが
提案されている。このシールは、スパイラル状溝の深
さ、半径方向幅のシール面に対する割合およびバランス
比の３つのパラメータを適当に設定することにより、シ
ール面が歪もうとするとき、この歪を防止する方向のモ
ーメントが自動的に生じ、シール面の平行性が維持され
るというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】自己整合機能をもたな
い従来の非接触形シール装置では、圧力歪や熱歪の影響
でシール面に歪が生じると、シール面すきまが狭いため
にシール面の部分的な接触が生じる。それにより、シー
ルの圧力バランスが崩れるとともに発熱が増大し、シー
ル面歪がさらに助長され、ついにはシールの破損に至
る。この問題点を改良した上記特公平１−２２５０９号
公報に示されている自己整合機能を有するシールにおい
ても、パラメータ設定の制約上、停止中はシール面が接
触し、回転中は漏れを助長する方向の動圧が発生し、漏
れ量が多くなるという問題がある。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、高速・高圧運転用に適応可能であるうえ、流体圧や
熱による歪で圧力バランスが崩れることを抑制できると
ともに、漏れ量を少なくすることができ、またシール面
の損傷のおそれも解消することができる非接触形シール
装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明による非接触形シール装置は、上記
シール面に動圧発生用のスパイラル状の溝を全周に周方
向に等間隔に形成したものにおいて、上記スパイラル状
溝の内端に、該スパイラル状溝に対して周方向で逆向き
で、かつ、先細り状に延びる内端閉塞の反転溝部を連通
状態に形成したものである。

【０００８】特に、上記動圧発生用のスパイラル状溝お
よび反転溝部の全体の径方向の形成幅寸法と、シール面
の半径方向の幅寸法との比を、０．５〜０．７に設定す
るのが好ましい。

【０００９】さらに、上記動圧発生用のスパイラル状溝
の径方向の形成幅寸法と、そのスパイラル状溝および反
転溝部の全体の径方向の形成幅寸法との比を、０．６〜
０．７に設定するのがより好ましい。

【００１０】

【作用】上記構成の請求項１の発明によれば、シール面
に形成された動圧発生用のスパイラル状の溝によって高
圧の密封流体が取り込まれてシール面間の平行状態が安
定的に保持され、高速・高圧条件下での使用に対応しや
すくなるうえ、密封流体圧や摺動熱による歪によってシ
ール面が傾こうとした場合、反転溝部がシール面間を流
れる密封流体を捕捉してスパイラル状溝に押し戻すとい
うポンピング作用を生じ、このポンピング作用によって
平行平面に戻すモーメントが働くとともに、補助的な動
圧発生源として機能することになり、シール面同志の接
触が確実に防止されることになるとともに、圧力差によ
る漏れ量も少なく抑えられ、また反転溝部が内端閉塞の
ために塵埃等の侵入のおそれもない。

【００１１】また、請求項２によれば、シール面の圧力
歪や熱歪による圧力分布の崩れが確実に抑制される。

【００１２】さらに、請求項３によれば、シール面全体
で平均した動圧を効果的に発生させることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面にもとづいて
説明する。

【００１４】図１は本発明に係る非接触形シール装置の
一例を示す要部の拡大縦断面図である。同図において、
１はケーシング、２はケーシング１を貫通した回転軸、
３は上記ケーシング１の内壁に固定された固定リングで
ある。４は上記固定リング３側に保持される静止リング
であり、軸心に垂直な端面４ａを有する。５は上記回転
軸２の外周側に装着されて該回転軸２とともに回転する
回転シールリングであり、上記静止リング４の端面４ａ
に対向する端面５ａを有する。これら両端面４ａ，５ａ
によりシール面が構成されている。

【００１５】上記固定リング３はストッパ部材６等で軸
方向の位置決めがなされており、ケーシング１との間は
Ｏリング７によりリークが防止されている。上記固定リ
ング３の軸心に垂直な面には、周方向に等間隔を隔てた
位置に複数のめくら孔８が形成されている。これらめく
ら孔８には、それぞればね部材９が着座されており、こ
れらばね部材９は上記静止リング４に重合・固定されて
いる断面Ｌ形のディスク１０を介して上記静止リング４
に軸心方向へのばね力を付勢している。上記固定リング
３とディスク１０との間はＯリング１１によりシールさ
れている。

【００１６】１２は上記回転軸２に嵌装された第１のス
リーブ、１３はその第１のスリーブ１２に嵌装された第
２のスリーブであり、上記第１のスリーブ１２のフラン
ジ部１２ａと上記第２のスリーブ１３とで上記回転シー
ルリング５を軸方向に位置決めしている。１４は第１の
スリーブ１２と回転軸２との間からのリークを防止する
ためのリング、１５，１６は回転シールリング５と第１
のスリーブ１２との間からリークを防止するためのＯリ
ングである。１７は上記第１のスリーブ１２を上記回転
軸２に対して廻り止めさせるピン、１８は補助ラビリン
スシールである。

【００１７】上記静止リング４および回転シールリング
５の各シール面４ａ，５ａのうち、一方のシール面５ａ
には、図２に示すように、外周側開口から内周側へ向か
う複数のスパイラル状の動圧発生用の溝１９が形成され
ている。この動圧発生用のスパイラル状溝１９の深さ
は、２〜１０μｍに設定するのがよい。この動圧発生用
のスパイラル状溝１９の内端には、図２に示すように、
該スパイラル状溝１９に対して周方向で逆向きで、か
つ、先細り状に延びて内端で閉塞された反転溝部２０が
連通状態に形成されている。

【００１８】このような構成の非接触形シール装置にお
いて、回転軸２が回転すると、これに伴って回転シール
リング５が回転する。この回転シールリング５のシール
面５ａには、動圧発生用のスパイラル状の溝１９が形成
されているので、この溝１９のポンピング作用により、
シール面４ａ，５ａ間に密封流体が強制的に流入され
る。その結果、両シール面４ａ，５ａ間に一定の密封流
体圧（図３）の膜が確保されて微小ギャップによる所望
リークが許容される。

【００１９】密封流体圧の変動があった場合でも、静止
リング４とディスク１０の両端面にかかる圧力が常にバ
ランスして安定した運転が行なえる。

【００２０】とくに、流体の圧力や高速運転時の発熱に
よってシール面４ａ，５ａに歪が生じて圧力のバランス
が崩れようとしても、上記動圧発生用のスパイラル状溝
１９の内端に逆向きに連通した反転溝部２０の外端２０
ａ付近に生じる最大圧力によって回転中心廻りのモーメ
ントが得られ、シール面４ａ，５ａを常に平行平面に保
たせる働きをするとともに、上記先細り状の反転溝部２
０がスパイラル状溝１ ９から漏洩してシール面４ａ，５
ａ間を流れる密封流体を捕捉してそれをスパイラル状溝
１９に押し戻す方向のポンピング作用を発揮するため
に、機外側への漏れ量を少なくすることができる。

【００２１】また、上記反転溝部２０が捕捉した密封流
体をスパイラル状溝１９の内端に押し戻すことにより、
シール面４ａ，５ａ間に両面４ａ，５ａを引き離す動圧
を発生させることになる。これは、シール面４ａ，５ａ
の外周側が摺動熱などで歪を生じて傾いたときに、補助
的な動圧発生溝として機能することであり、これによっ
て、シール面４ａ，５ａを安定した平行平面状態に維持
することができる。殊に、上記内端閉塞の反転溝部２０
が先細り状であるために、シール面４ａ，５ａ間に存在
する密封流体に乱流を生じさせることなく、層流状態に
保つことにより、上記した各作用が適正に発揮されるの
である。

【００２２】ところで、上記シール面４ａ，５ａが圧力
や熱による歪の生じていない時の圧力分布は図４のよう
になるが、この圧力分布は、上記動圧発生用のスパイラ
ル状溝１９および反転溝部２０のシール面５ａに対する
径方向の形成幅寸法ｂ１，ｂ２（図３）によって左右さ
れる。

【００２３】いま、シール面５ａの径方向の幅寸法を
ｂ，動圧発生用のスパイラル状溝１９および反転溝部２
０の全体の径方向の幅寸法をｂ１，動圧発生用のスパイ
ラル状溝１９の径方向の幅寸法をｂ２とすると、ｂ１／
ｂ＝０．５〜０．７の範囲に設定するのが好ましい。

【００２４】ｂ１／ｂ＜０．５の場合、上記動圧発生用
のスパイラル状溝１９および反転溝部２０内に発生する
圧力は弱く、圧力が生じてもシール面４ａ，５ａの外周
側の狭い領域に限られることになり、シール面４ａ，５
ａを接触させないだけの大きな圧力にはなり得ない。

【００２５】また、ｂ１／ｂ＞０．７の場合、図５に示
すような外高歪が生じた時、Ｐ１＜Ｑでの圧力分布とな
り、シール面４ａ，５ａ間のギャップが小さくなってシ
ール面４ａ，５ａが接触するおそれがある。逆に、図６
に示すような内高歪が生じた時、Ｐ２＞Ｑでの圧力分布
となるので、シール面４ａ，５ａ間のギャップが広げら
れ、やがてＰ３＝Ｑと拮抗するようになり、問題はな
い。

【００２６】したがって、ｂ１／ｂ＝０．５〜０．７に
設定することにより、外高歪の時では、図７のように、
圧力Ｐ４＞Ｑでの圧力分布となってシール面４ａ，５ａ
のギャップが広がり、また、内高歪の場合は、Ｐ５＝Ｑ
での圧力分布となる。すなわち、内高歪でも外高歪でも
シール面４ａ，５ａの圧力分布のバランスがとれてシー
ル面４ａ，５ａ同志の接触のおそれを確実になくするこ
とができる。

【００２７】また、ｂ２／ｂ１に関しては、０．６〜
０．７に設定するのが好ましい。その理由はつぎの通り
である。すなわち、ｂ２／ｂ１＜０．６の場合では、動
圧発生用のスパイラル状溝１９での動圧発生作用が不十
分で、シール面４ａ，５ａ同志を非接触にさせるだけの
圧力が得られにくい。また、ｂ２／ｂ１＞０．７の場合
では、外高歪が生じた時に圧力バランスの崩れでシール
面４ａ，５ａ間のギャップが小さくなり、シール面４
ａ，５ａ同志が接触するおそれがある。

【００２８】また、上記反転溝部２０の内端が閉じられ
ているので、大気からの塵埃や軸受などからのオイルミ
ストがシール面５ａに巻き込まれることがないので、シ
ール面４ａ，５ａがそれらによって傷付けられるおそれ
もない。

【００２９】なお、上記実施例では、回転シールリング
５のシール面５ａに動圧発生用のスバイラル状溝１９お
よび反転溝部２０を形成したもので説明したが、これら
溝１９，２０などを静止リング４側に設けても、同様の
効果を奏する。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、シール面
に形成された動圧発生用のスパイラル状の溝の内端に、
該スパイラル状溝に対して周方向で逆向きで、かつ、先
細り状に延びる内端閉塞の反転溝部を連通状態に形成し
たので、高速・高圧運転時のシール面の安定化を図り得
るうえ、シール面間の圧力差による漏洩量を、上記反転
溝部による押し戻し方向のポンピング作用で少なくする
ことができ、しかも、反転溝部が補助的な動圧発生源と
しても機能するので、圧力歪や熱歪などによるシール面
の傾きを矯正してシール面同志が接触することにともな
う性能低下をなくして信頼性を高めることができる。特
に、反転溝部を先細り状としたことによって、シール面
間に存在する密封流体の流れに乱流を生じることなく、
層流状態に保って、上記各作用を有効適正に発揮させる
ことができる。

【００３１】また、請求項２によれば、シール面に外高
歪が生じた時でもシール面の接触のおそれのない圧力分
布を得ることができる。

【００３２】さらに、請求項３によれば、シール面全体
に平均した動圧を確実に得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による非接触形シール装置を
示す要部の拡大縦断面図である。

【図２】回転シールリングのシール面を示す正面図であ
る。

【図３】動圧発生用のスパイラル状溝および反転溝部の
径方向の寸法関係を示す図である。

【図４】歪が生じていない場合のシール面の圧力分布を
示す図である。

【図５】外高歪の発生時のシール面の圧力分布を示す図
である。

【図６】内高歪の発生時のシール面の圧力分布を示す図
である。

【図７】動圧発生用のスパイラル状溝および反転溝部の
全体の径方向の幅寸法を設定した場合のシール面の圧力
分布を示す図である。

【図８】従来の非接触形シール装置のシール面を示す図
である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 回転軸 ４ 静止リング ４ａ，５ａ シール面 ５ 回転シールリング １９ 動圧発生用のスパイラル状溝 ２０ 反転溝部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングを貫通した回転軸とともに回
   転する回転シールリングにおける軸心に垂直な端面と、
   上記ケーシング側に保持された静止リングにおける上記
   端面に対向する端面とを両者のシール面とし、上記シー
   ル面のいずれか一方に、高圧の密封流体を外周側開口か
   ら内周側へ取り込む動圧発生用のスパイラル状の溝を全
   周に周方向に等間隔に形成してなる非接触形シール装置
   において、上記スパイラル状溝の内端に、該スパイラル
   状溝に対して周方向で逆向きで、かつ、先細り状に延び
   る内端閉塞の反転溝部を連通状態に形成したことを特徴
   とする非接触形シール装置。
2. 【請求項２】 上記動圧発生用スパイラル状溝および反
   転溝部の全体の径方向の形成幅寸法と、シール面の径方
   向の幅寸法との比を、０．５〜０．７に設定したことを
   特徴とする請求項１の非接触形シール装置。
3. 【請求項３】 上記動圧発生用スパイラル状溝の径方向
   の形成幅寸法と、そのスパイラル状溝および反転溝部の
   全体の径方向の形成幅寸法との比を、０．６〜０．７に
   設定したことを特徴とする請求項１の非接触形シール装
   置。