JPH0743037B2 - Non-contact mechanical seal - Google Patents

Non-contact mechanical seal

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Publication number
JPH0743037B2
JPH0743037B2 JP2165016A JP16501690A JPH0743037B2 JP H0743037 B2 JPH0743037 B2 JP H0743037B2 JP 2165016 A JP2165016 A JP 2165016A JP 16501690 A JP16501690 A JP 16501690A JP H0743037 B2 JPH0743037 B2 JP H0743037B2
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JP
Japan
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rotating ring
spiral groove
width ratio
seal
groove
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JP2165016A
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Inventor
吉秀 阿部
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吉秀 阿部
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非接触メカニカルシールの改良に係わり、更
に詳しくはガスタービンやコンプレッサ等の流体機器の
軸封装置として高周速条件下で使用する非接触メカニカ
ルシールに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an improvement in a non-contact mechanical seal, and more specifically, it is used as a shaft sealing device for fluid equipment such as a gas turbine and a compressor under high peripheral speed conditions. A non-contact mechanical seal that does.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、コンプレッサ等における回転軸のハウジング間を
密封する非接触メカニカルシールは既に提供されてい
る。例えば、特公平1−22509号公報には、第10図に示
す如く、回転軸に密封固定した回転リングaとハウジン
グに密封装着し且つ押圧手段にて軸方向へ付勢した非回
転リングbとの対面する各シール面の何れか一方のシー
ル面cに、第12図に示す如く相対的回転方向に対して前
進角を有する同一長さの多数の螺線溝dを円周方向に一
定間隔で設けて封入物体をシール面間に圧送してなる非
接触メカニカルシールが提供されている。
Conventionally, a non-contact mechanical seal that seals between the housings of rotating shafts in compressors and the like has already been provided. For example, as shown in FIG. 10, Japanese Patent Publication No. 22509/1990 discloses a rotating ring a which is hermetically fixed to a rotating shaft and a non-rotating ring b which is hermetically mounted on a housing and axially biased by a pressing means. As shown in FIG. 12, a large number of spiral grooves d of the same length having an advancing angle with respect to the relative rotation direction are circumferentially arranged at regular intervals on one of the sealing surfaces c facing each other. There is provided a non-contact mechanical seal which is provided by and pressure-fed the enclosed object between the seal surfaces.

それによって、圧力変動や温度変動により回転リングa
や非回転リングbが変形してシール面cの平行度が損な
われた場合に、非回転リングbに互いのシール面が平行
になる方向の偶力を発生させて自動的に安定なシール面
間隔に調整することができるものである。即ち、第10図
に点線で示した正常状態の非回転リングbが時計方向に
変形して実線で示した状態になると、第11図に示す如く
外周部においては圧力が減少し(P1)、内周部において
は圧力が増加し(P2)、更に図示しない押圧手段とのバ
ランスにより非回転リングbに反時計方向の偶力C1を発
生させて互いのシール面が平行となるように自己整合さ
せることができるが、この場合においてシール面におけ
る圧力のピーク値は減少するので、負荷能力が減少し自
己整合させる時ギャップが不安定になるといった問題を
有していた。
As a result, the rotating ring a due to pressure fluctuation and temperature fluctuation
When the non-rotating ring b is deformed and the parallelism of the sealing surface c is impaired, a couple force is generated in the non-rotating ring b in a direction in which the sealing surfaces are parallel to each other, and the sealing surface is automatically stable. It can be adjusted to the interval. That is, when the normal state non-rotating ring b shown by the dotted line in FIG. 10 is deformed clockwise to the state shown by the solid line, the pressure decreases at the outer peripheral portion as shown in FIG. 11 (P 1 ). , The pressure increases in the inner peripheral part (P 2 ), and counterclockwise couple C 1 is generated in the non-rotating ring b by the balance with the pressing means (not shown) so that the sealing surfaces become parallel to each other. However, in this case, the peak value of the pressure on the sealing surface is reduced, so that the load capacity is reduced and the gap becomes unstable during self-alignment.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところ
は、封入流体を長さの異なる複数種類の螺線溝群により
シール面に圧送し、シール面における動圧のピーク値を
半径方向の異なる複数位置に形成し、回転リングや非定
回転リングの変形に対して自己整合させる偶力を発生さ
せるとともに、何れか一の螺線溝群による動圧のピーク
値が更に大きくなるように設定した非接触メカニカルシ
ールを提供する点にある。
In view of the above-mentioned situation, the present invention is to solve the problem by pumping the enclosed fluid to the seal surface by a plurality of types of spiral groove groups having different lengths, and changing the peak value of the dynamic pressure on the seal surface in the radial direction. It was formed at multiple positions and generated a couple force that self-aligns against the deformation of the rotating ring and non-constant rotating ring, and was set so that the peak value of the dynamic pressure by any one of the spiral groove groups would be further increased. The point is to provide a non-contact mechanical seal.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

本発明は、前述の課題解決の為に、回転軸の密封固定し
た回転リングとハウジングに軸方向可動となして密封装
着し且つ押圧手段にて軸方向へ付勢した非回転リングと
の対接するシール面に相対的回転方向に対して前進角を
有する螺線溝を設けて封入流体をシール面間に圧送して
なる非接触メカニカルシールにおいて、回転リングと非
回転リングの何れか一方若しくは両方のシール面に、そ
の外周縁若しくは内周縁を基端として延び、相対的回転
方向に対して前進角を有するとともに、溝の深さが同一
且つ溝の長さの異なる二種類の螺線溝を円周方向に周期
的に設け、一方の短螺線溝のダム巾比を約0.2〜0.5、他
方の長螺線溝のダム巾比を約0.5〜0.8に設定し、長短両
螺線溝群によって発生する動圧の各ピーク値を、ダム巾
比0.5を境としたシール面の半径方向の内外異なる位置
に設定し、回転リングや非回転リングの変形に基づくシ
ール面の平行からのずれを是正する偶力を非回転リング
に発生させてなる非接触メカニカルシールを構成した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention makes contact with a rotating ring that is hermetically fixed on a rotating shaft and a non-rotating ring that is axially movable and hermetically mounted on a housing and is axially biased by a pressing means. In a non-contact mechanical seal in which a spiral groove having an advancing angle with respect to the relative rotation direction is provided on the seal surface and the enclosed fluid is pressure-fed between the seal surfaces, either one or both of the rotating ring and the non-rotating ring is used. The sealing surface has two types of spiral grooves that extend with the outer peripheral edge or the inner peripheral edge as the base end and have an advancing angle with respect to the relative rotation direction, and have the same groove depth and different groove lengths. Periodically provided in the circumferential direction, the dam width ratio of one short spiral groove is set to about 0.2 to 0.5, and the dam width ratio of the other long spiral groove is set to about 0.5 to 0.8. A seal with each peak value of generated dynamic pressure at a dam width ratio of 0.5 Of set radially inner and outer positions different and constitute a non-contact mechanical seal a couple to correct a deviation from the parallel sealing surfaces due to the deformation of the rotating ring and non-rotating ring made by generating a non-rotating ring.

更に、溝の長さの異なる二種類の螺線溝を用い、一方の
短螺線溝のダム巾比を約0.3、他方の長螺線溝のダム巾
比を約0.6に設定した。
Further, two kinds of spiral grooves having different groove lengths were used, and the dam width ratio of one short spiral groove was set to about 0.3 and the dam width ratio of the other long spiral groove was set to about 0.6.

そして、溝の長さの異なる二種類の螺線溝を円周方向に
交互に設けた。
Then, two kinds of spiral grooves having different groove lengths were alternately provided in the circumferential direction.

〔作用〕[Action]

以上の如き内容からなる本発明の非接触メカニカルシー
ルは、回転リングが非回転リングに対して回転すると、
相対的回転方向に対して前進角を有するとともに、溝の
深さが同一且つ溝の長さの異なる二種類の螺線溝群のそ
れぞれの相対的回転によって封入流体をシール面間に圧
送して、該シール面間に動圧を発生させて非接触状態を
形成して密封するのであり、そして一方の螺線溝のダム
巾比を約0.2〜0.5、他方の長螺線溝のダム巾比を約0.5
〜0.8に設定し、長短両螺線溝群によって発生する動圧
の各ピーク値を、ダム巾比0.5を境としたシール面の半
径方向の内外異なる位置に設定した特異な圧力分布を形
成することにより、回転リングや非回転リングの変形に
基づくシール面の平行からのずれを是正する偶力を非回
転リングに発生させるのである。即ち、運転中に回転リ
ングや非回転リングの変形によって非接触状態の両シー
ル面間のギャップが、半径方向外側で挟まった場合に
は、半径方向外側部に終端を有する螺線溝群により動圧
のピーク値が増大し、非回転リングにギャップの外側部
分を広げる方向の偶力を発生させ、また半径方向内側で
挟まった場合には、半径方向内側部に終端を有する螺線
溝群による動圧のピーク値が増大し、非回転リングにギ
ャップの内側部分を広げる方向の偶力を発生させる自己
整合機能を備え、封入物体の漏洩を最小限に抑制するの
である。
The non-contact mechanical seal of the present invention having the above contents, when the rotating ring rotates with respect to the non-rotating ring,
The enclosed fluid is pumped between the sealing surfaces by the relative rotation of each of the two types of spiral groove groups having an advancing angle with respect to the relative rotation direction and having the same groove depth and different groove lengths. , A dynamic pressure is generated between the sealing surfaces to form a non-contact state for sealing, and the dam width ratio of one spiral groove is about 0.2 to 0.5, and the dam width ratio of the other long spiral groove is About 0.5
Set to ~ 0.8 and each peak value of the dynamic pressure generated by the long and short spiral groove groups is set to different positions inside and outside the radial direction of the seal surface with the dam width ratio of 0.5 as a boundary to form a unique pressure distribution As a result, a couple force that corrects the deviation of the seal surface from being parallel due to the deformation of the rotating ring or the non-rotating ring is generated in the non-rotating ring. That is, when the gap between both seal surfaces in the non-contact state is sandwiched on the outer side in the radial direction due to the deformation of the rotating ring or the non-rotating ring during operation, the spiral groove group having the end on the outer side in the radial direction moves When the peak value of pressure increases, a couple force is generated in the non-rotating ring in the direction to widen the outer part of the gap. The peak value of the dynamic pressure increases, and the non-rotating ring has a self-aligning function of generating a couple in the direction to widen the inner portion of the gap, thereby minimizing leakage of the enclosed object.

〔実施例〕〔Example〕

次に添付図面に示した実施例に基づき更に本発明の詳細
を説明する。
Next, the details of the present invention will be described based on the embodiments shown in the accompanying drawings.

第1図は本発明に係る非接触メカニカルシールMの全体
構造を示し、ハウジング1と、該ハウジング1の開放端
を貫通する回転軸2との間に設けている。ここで、図中
Aは大気圧(低圧)側、Bは高圧(シール圧)側を示し
ている。
FIG. 1 shows an overall structure of a non-contact mechanical seal M according to the present invention, which is provided between a housing 1 and a rotary shaft 2 penetrating an open end of the housing 1. Here, in the figure, A indicates the atmospheric pressure (low pressure) side, and B indicates the high pressure (seal pressure) side.

本実施例の非接触メカニカルシールMは、前記回転軸2
に密封固定した回転リング3と、前記ハウジング1に密
封装着した非回転リング4を備え、該回転リング3と非
回転リング4の互いのシール面5,6を対接させ、そして
非回転リング4は密封状態で軸方向可動となすととも
に、ハウジング1に関係づけた押圧手段7にて各シール
面5,6が接近する軸方向に付勢している。そして、第2
図に示す如く前記回転リング3の外周縁から内方へ延
び、相対的回転方向に対して前進角を有する長さの異な
る二種類の螺線溝、即ち短螺線溝8と長螺線溝9を円周
方向に交互に設けている。
The non-contact mechanical seal M of this embodiment is the rotary shaft 2
A rotary ring 3 hermetically fixed to the housing 1 and a non-rotating ring 4 hermetically mounted on the housing 1, the sealing surfaces 5 and 6 of the rotary ring 3 and the non-rotating ring 4 are in contact with each other, and the non-rotating ring 4 Is movable in the sealed state in the axial direction, and is urged in the axial direction by the pressing means 7 associated with the housing 1 so that the respective seal surfaces 5 and 6 approach each other. And the second
As shown in the figure, two kinds of spiral grooves extending inward from the outer peripheral edge of the rotary ring 3 and having an advancing angle with respect to the relative rotation direction and having different lengths, that is, a short spiral groove 8 and a long spiral groove. 9 are provided alternately in the circumferential direction.

前記回転リング3は、前記回転軸2に同軸外挿した固定
スリーブ10に同軸外挿するとともに、該固定スリーブ10
の一端から延びたフランジ部11に前記シール面5とは反
対側面を当止し、そしてフランジ部11を回転軸2に形成
した段部12に当止状態で前記固定スリーブ10に外嵌した
締着スリーブ13と該固定スリーブ10の端部を回転軸2に
螺合した保持ナット14で締付けることにより、固定スリ
ーブ10とともに回転軸に固定し、そして回転軸2とフラ
ンジ部11間、回転リング3と固定スリーブ10間及び回転
リング3とフランジ部11間にそれぞれOリング15,16,17
を介装して密封している。
The rotating ring 3 is coaxially externally inserted into a fixed sleeve 10 which is coaxially externally inserted into the rotary shaft 2, and the fixed sleeve 10
A flange portion 11 extending from one end of the fixing sleeve 10 against the side opposite to the sealing surface 5, and the flange portion 11 against the step portion 12 formed on the rotary shaft 2 while being fitted onto the fixed sleeve 10. The fixing sleeve 10 and the fixed sleeve 10 are fixed to the rotary shaft together with the fixed sleeve 10 by tightening the ends of the fixed sleeve 10 with a retaining nut 14 screwed to the rotary shaft 2, and between the rotary shaft 2 and the flange portion 11 and the rotary ring 3. And the fixed sleeve 10 and between the rotary ring 3 and the flange portion 11, respectively, O-rings 15, 16, 17
Is installed and sealed.

前記非回転リング4は、前記ハウジング1に密封固定し
た環状の保持装置18によって所定位置に軸方向可動とな
して密封保持するとともに、押圧手段7にて前記回転リ
ング3のシール面5と、当該非回転リング4のシール面
6が接近する方向へ付勢している。ここで、前記保持装
置18は、外周一端をハウジング1の段部19に当止すると
ともに、他端を固定スリーブ20に当止して軸方向の移動
を規制し、更にハウジング1と保持装置18の外周間には
Oリング21を介装し、また内周縁から軸方向へ延びた環
状の摺動部22の外周と前記非回転リング4の内周間にO
リング23を介装して該非回転リング4を密封状態で軸方
向可動となしている。そして、前記保持装置18に一端を
係着した複数のコイルばね等の弾性部材からなる押圧手
段7の他端を環状のディスク24を介して前記非回転リン
グ4のシール面6とは反対側端に関係づけ、、該非回転
リング4を前記回転リング3の方向へ弾性付勢して、両
シール面5,6が互いに接近する方向へ常時押圧力が作用
するようになしている。
The non-rotating ring 4 is axially movable to a predetermined position by an annular holding device 18 which is hermetically fixed to the housing 1 so as to hermetically hold the non-rotating ring 4, and the sealing surface 5 of the rotating ring 3 is pressed by a pressing means 7. The seal surface 6 of the non-rotating ring 4 is urged in the approaching direction. Here, the holding device 18 has one outer peripheral end abutting against the stepped portion 19 of the housing 1 and the other end abutting against the fixed sleeve 20 to restrict axial movement, and further, the housing 1 and the holding device 18 An O-ring 21 is interposed between the outer periphery of the non-rotating ring 4 and the outer periphery of an annular sliding portion 22 extending axially from the inner periphery of the non-rotating ring 4.
The ring 23 is interposed so that the non-rotating ring 4 is axially movable in a sealed state. Then, the other end of the pressing means 7, which is made of an elastic member such as a plurality of coil springs and has one end engaged with the holding device 18, is connected to the end opposite to the sealing surface 6 of the non-rotating ring 4 via the annular disc 24. In this case, the non-rotating ring 4 is elastically biased toward the rotating ring 3 so that the pressing force always acts in the direction in which the two sealing surfaces 5 and 6 approach each other.

尚、前記非回転リング4は、回転時に完全に接触しない
のではなく、回転軸2が静止状態から回転を始めて初期
の段階では接触抵抗により回転リング3と摺動し、回転
軸2が一定回転数以上になった場合には互いのシール面
5,6が滑るので非回転リング4は摺動を略停止するが、
それはシール面5,6間に介在する流体の粘性によりその
摺動が略停止する回転数は異なる。また、圧力差により
いかなる時も完全に摺動しないようにすることもでき
る。
It should be noted that the non-rotating ring 4 does not come into complete contact during rotation, but the rotating shaft 2 starts rotating from a stationary state and slides on the rotating ring 3 due to contact resistance in the initial stage, causing the rotating shaft 2 to rotate at a constant speed. If the number exceeds the limit, the sealing surface of each other
Since 5 and 6 slip, the non-rotating ring 4 almost stops sliding,
The number of rotations at which the sliding substantially stops depends on the viscosity of the fluid interposed between the seal surfaces 5 and 6. Further, it is possible to prevent the slide from completely sliding at any time due to the pressure difference.

また、本実施例では、回転リング3と非回転リング4を
一対備えた非接触メカニカルシールMの例を示したが、
これらを複数用いて軸方向に互いに関係づけて配列させ
たタンデム型のものも採用し得るのである。
Further, in the present embodiment, an example of the non-contact mechanical seal M including a pair of the rotating ring 3 and the non-rotating ring 4 is shown.
It is also possible to employ a tandem type in which a plurality of these are used and arranged in relation to each other in the axial direction.

第2図は本発明の回転リング3のシール面5に形成した
螺線溝のパターンの一例を示し、図示したものは短螺線
溝流螺線溝9の二種類の螺線溝を回転リング3の外周縁
から内方へ相対的回転方向に対して前進角を設けて円周
方向に交互に形成したものであり、螺線溝を形成しない
シール面は平坦となしている。
FIG. 2 shows an example of a spiral groove pattern formed on the seal surface 5 of the rotating ring 3 of the present invention. The drawing shows two kinds of spiral grooves, a short spiral groove flow spiral groove 9 and a rotating ring. 3 is formed inwardly from the outer peripheral edge of the outer peripheral edge 3 in the relative rotational direction and is alternately formed in the circumferential direction, and the seal surface having no spiral groove is flat.

次に、ダム巾比を次式により定義する。Next, the dam width ratio is defined by the following equation.

ここで、ODはシール面5,6の共通部分の外形、IDは内
径、GDは螺線溝の溝領域と平坦領域との境界で形成され
る輪郭円の直系であり、GDは短螺線溝8の場合にはSG
D、長螺線溝9の場合にはLGDの値が入る。
Here, OD is the outer shape of the common part of the sealing surfaces 5 and 6, ID is the inner diameter, GD is the direct line of the contour circle formed at the boundary between the groove area and the flat area of the spiral groove, and GD is the short spiral line. SG for groove 8
In the case of D and the long spiral groove 9, the value of LGD is entered.

(1)式は螺線溝をシール面の外周側を基端として形成
した場合に適用する式であり、(2)は内周側を基端と
して形成した場合に適用する式であり、本発明において
は短螺線溝8のダム巾比を約0.2〜0.5、長螺線溝9のダ
ム巾比を約0.5〜0.8に設定している。このダム巾比の最
適値は、他のパラメータによって変化するが、より好ま
しい値としては短螺線溝8のダム巾比は約0.3、長螺線
溝9のダム巾比は約0.6である。
Formula (1) is a formula applied when the spiral groove is formed with the outer peripheral side of the seal surface as the base end, and (2) is a formula applied when the inner peripheral side is formed as the base end. In the present invention, the dam width ratio of the short spiral groove 8 is set to about 0.2 to 0.5, and the dam width ratio of the long spiral groove 9 is set to about 0.5 to 0.8. The optimum value of the dam width ratio varies depending on other parameters, but more preferable values are a dam width ratio of the short spiral groove 8 of about 0.3 and a dam width ratio of the long spiral groove 9 of about 0.6.

また、本発明における螺線溝は、約2〜15μmの深さを
有し、その巾及び前進角の角度は封入流体のシール圧力
及び回転数等によって決定される。尚本実施例では螺線
溝を回転リング3のシール面5に形成したが、非回転リ
ング4のシール面6に形成することも、更に両方のシー
ル面5,6に形成することも原理的に可能である。
Further, the spiral groove in the present invention has a depth of about 2 to 15 μm, and the width and the angle of the advance angle are determined by the sealing pressure and the rotation speed of the enclosed fluid. Although the spiral groove is formed on the seal surface 5 of the rotating ring 3 in this embodiment, it is theoretically possible to form the spiral groove on the seal surface 6 of the non-rotating ring 4 or on both seal surfaces 5 and 6. Is possible.

そして、当該螺線溝をシール面の表面に形成する方法
は、炭化タングステン、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ
セラミック、金属材等の材料で所定形状に成形した後、
シール面となる面に螺線溝を化学的、物理的若しくは電
気化学的な手法を用いて形成する。例えば、エッチン
グ、粉末を吹きつけるブラスト及び各種めっき処理によ
って形成することができる。
Then, the method of forming the spiral groove on the surface of the sealing surface is as follows: after forming the spiral groove into a predetermined shape with a material such as tungsten carbide, silicon carbide, silicon nitride, alumina ceramics, and a metal material,
Spiral grooves are formed on the surface to be the sealing surface by a chemical, physical or electrochemical method. For example, it can be formed by etching, powder blasting, and various plating treatments.

尚、螺線溝のパターンは、第2図に示したものに限定さ
れず、各種のパターンを採用し得る。例えば、第3図に
示す如く、短螺線溝8が二本、長螺線溝9が一本の基本
パターンを円周方向に形成したものや、逆に第4図に示
す如く、短螺線溝8が一本、長螺線溝9が二本の基本パ
ターンを円周方向に形成したものであり、また第5図に
示す如く、短螺線溝8と長螺線溝9との溝巾を変えたも
のがある。更に、以上のパターンを組合わせたものも可
能であり、溝の長さの異なる三種類以上の螺線溝との組
合わせたものも可能である。
The spiral groove pattern is not limited to that shown in FIG. 2, and various patterns can be adopted. For example, as shown in FIG. 3, a basic pattern in which two short spiral grooves 8 and one long spiral groove 9 are formed in the circumferential direction, or conversely, as shown in FIG. A basic pattern having one wire groove 8 and two long spiral grooves 9 is formed in the circumferential direction, and as shown in FIG. 5, a short spiral groove 8 and a long spiral groove 9 are formed. Some have different groove widths. Further, a combination of the above patterns is also possible, and a combination with three or more types of spiral grooves having different groove lengths is also possible.

次に、本実施例の非接触メカニカルシールMにおいて、
非回転リング4はその内周において圧力を受けるので、
バランスはBDをバランス直径とすれば、 で表され、その値は0.5〜1.5に設定している。
Next, in the non-contact mechanical seal M of this embodiment,
Since the non-rotating ring 4 receives pressure on its inner circumference,
For the balance, if BD is the balance diameter, The value is set to 0.5 to 1.5.

しかして、前記回転軸2が高速回転すると回転リング3
のシール面5に形成された回転方向に対して前進角を有
する短螺線溝8及び長螺線溝9により所定のシール圧を
有する封入流体をシール面5,6間に圧送し、それにより
該シール面の半径方向の内外部(螺線溝の終端近傍)に
おいてシール圧より高い動圧が発生し、その動圧によっ
て非回転リング4は前記押圧手段7の押圧力に抗して軸
方向へ移動し、流体による動圧と該押圧手段7の押圧力
とが釣り合った状態、即ちシール面5,6間に平行なギャ
ップを有する非接触状態になる。この状態において、封
入流体はシール面5,6間から回転軸2と非回転リング4
との間に流れ、大気側へ若干漏洩する。この漏洩は、原
理的に避けられないが、本発明の短螺線溝8と長螺線溝
9の二種類の螺線溝群からなるものは、シール面の半径
方向の内外部にそれぞれの作用により動圧のピークを形
成するので、封入流体の密封性に優れている。当然、溝
の長さの異なる更に多種類の螺線溝群を形成した場合に
は、それに応じてシール面における動圧のピーク位置が
増えるのである。ここで、回転数が低い始動初期又は停
止直前においては、動圧が減少するが、各シール面5,6
の平坦部が密着するので、封入流体の漏洩量は少ない。
When the rotary shaft 2 rotates at a high speed, the rotary ring 3
The short spiral groove 8 and the long spiral groove 9 having an advancing angle with respect to the rotational direction formed on the sealing surface 5 of the seal fluid 5 pumps the enclosed fluid having a predetermined sealing pressure between the sealing surfaces 5 and 6, thereby Dynamic pressure higher than the seal pressure is generated inside and outside (near the end of the spiral groove) in the radial direction of the sealing surface, and the dynamic pressure causes the non-rotating ring 4 to resist the pressing force of the pressing means 7 in the axial direction. To the non-contact state having a parallel gap between the seal surfaces 5 and 6, that is, the dynamic pressure by the fluid and the pressing force of the pressing means 7 are balanced. In this state, the sealed fluid flows from between the sealing surfaces 5 and 6 to the rotating shaft 2 and the non-rotating ring 4
And a slight leak to the atmosphere side. Although this leakage is unavoidable in principle, the two spiral groove groups of the short spiral groove 8 and the long spiral groove 9 according to the present invention are provided inside and outside the sealing surface in the radial direction. Since the peak of the dynamic pressure is formed by the action, the sealing property of the enclosed fluid is excellent. Naturally, when more types of spiral groove groups having different groove lengths are formed, the peak position of the dynamic pressure on the seal surface increases accordingly. Here, the dynamic pressure decreases at the beginning of the engine at a low rotation speed or immediately before the stop, but the sealing surfaces 5, 6
Since the flat portions of the above are in close contact with each other, the leakage amount of the enclosed fluid is small.

通常の運転状態においては、非回転リング4は第6図及
び第8図に示した点線位置にあり、その状態ではそれぞ
れ第7図及び第9図に点線で示した圧力分布を形成す
る。この圧力分布において、縦軸はシール面の半径方向
の位置に対応し、上部にピーク値を有する分布は短螺線
溝8により、下部にピーク値を有する分布は長螺線溝9
によるものである。
In a normal operating condition, the non-rotating ring 4 is in the dotted position shown in FIGS. 6 and 8, and in that condition the pressure distributions shown by dotted lines in FIGS. 7 and 9 are formed. In this pressure distribution, the vertical axis corresponds to the radial position of the seal surface, the distribution having the peak value at the upper portion is the short spiral groove 8, and the distribution having the peak value at the lower portion is the long spiral groove 9.
It is due to.

そこで、運転中に非回転リング4が熱的変動や圧力変動
によってそれ自身が変形し若しくは回転リング3に対し
て相対的に変形して、シール面6が第6図に実線で示す
如く内側へ曲がったとすると、その結果、新たな圧力分
布は第7図に実線で示すようになり、動圧と前記押圧手
段7の押圧力との作用よってシール面6の半径方向内外
部において、短螺線溝8により圧力P01とP02が発生し、
長螺線溝9により圧力P11とP12が発生し、P01とP11の合
力と、P02とP12の合力とによって、非回転リング4の断
面における重心Wの周りに設定された平行位置に戻そう
とする反時計方向の偶力C1が生じる。
Therefore, during operation, the non-rotating ring 4 deforms itself due to thermal fluctuation or pressure fluctuation or relatively deforms with respect to the rotating ring 3, so that the sealing surface 6 moves inward as shown by the solid line in FIG. If it bends, as a result, the new pressure distribution becomes as shown by the solid line in FIG. 7, and the action of the dynamic pressure and the pressing force of the pressing means 7 causes a short spiral line inside and outside the sealing surface 6 in the radial direction. Grooves 8 generate pressures P 01 and P 02 ,
Pressures P 11 and P 12 are generated by the long spiral groove 9, and are set around the center of gravity W in the cross section of the non-rotating ring 4 by the resultant force of P 01 and P 11 and the resultant force of P 02 and P 12 . A counterclockwise couple C 1 that tries to return to the parallel position is generated.

また、シール面6が外側へ曲がった場合にも、第8図及
び第9図に示す如く、平行位置に戻そうとする時計方向
の偶力C2が生じる。
Also, when the sealing surface 6 is bent outward, a clockwise couple C 2 that tries to return it to the parallel position is generated as shown in FIGS. 8 and 9.

ここで、第7図及び第9図に示す如く、非回転リング4
のシール面6の変形により短螺線溝8と長螺線溝9によ
る動圧の一方のピーク値は減少するが、他方は逆に増加
するので、シール面5,6間の総合的な圧力の低下は生じ
ず、その結果、封入流体の漏洩量を従来の同一長さの螺
線溝を用いたものと比較して、極めて少なく抑制できる
のである。
Here, as shown in FIGS. 7 and 9, the non-rotating ring 4
Due to the deformation of the sealing surface 6 of the above, one peak value of the dynamic pressure by the short spiral groove 8 and the long spiral groove 9 decreases, but the other increases, conversely, the total pressure between the sealing surfaces 5 and 6 increases. Does not occur, and as a result, the amount of leakage of the enclosed fluid can be suppressed to an extremely small amount as compared with the conventional one using the spiral groove of the same length.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上にしてなる本発明の非接触メカニカルシールによれ
ば、回転軸に密封固定した回転リングとハウジングに軸
方向可動となして密封装着し且つ押圧手段にて軸方向へ
付勢した非回転リングとの対接するシール面に相対的回
転方向に対して前進角を有する螺線溝を設けて封入流体
をシール面間に圧送してなる非接触メカニカルシールに
おいて、回転リングの非回転リングの何れか一方若しく
は両方のシール面に、その外周縁若しくは内周縁を基端
として延び、相対的回転方向に対して前進角を有すると
ともに、溝の深さが同一且つ溝の長さの異なる二種類の
螺線溝を円周方向に周期的に設け、一方の短螺線溝のダ
ム巾比を約0.2〜0.5、他方の長螺線溝のダム巾比を約0.
2〜0.5、他方の長螺線溝のダム巾比を約0.5〜0.8に設定
し、長短両螺線溝群によって発生する動圧の各ピーク値
を、ダム巾比0.5を境としたシール面の半径方向の内外
異なる位置に設定し、回転リングや非回転リングの変形
に基づくシール面の平行からのずれを是正する偶力を非
回転リングに発生させてなるので、長さの異なるそれぞ
れの螺線溝群の相対的回転による流体輸送作用によって
封入流体をシール面間に圧送して、その動圧によって高
速回転時に両シール面を非接触状態に維持することがで
きることは勿論、ダム巾比0.5を境としたシール面の半
径方向の内外異なる位置に、それぞれの螺線溝群による
動圧のピーク値を有する圧力分布を形成することによ
り、非回転リング等の変形によるシール面の平行からの
ずれを是正する偶力を非回転リングに発生させることが
でき、両シール面の平行度を自動的に調整する優れた自
己整合機能を有するのであり、またシール面が平行から
ずれた場合に、何れか一の螺線溝群の動圧のピーク値が
通常運転時より更に高くなって封入流体の漏洩を最小限
に抑制することができるのである。
According to the non-contact mechanical seal of the present invention as described above, a rotating ring hermetically fixed to a rotating shaft and a non-rotating ring which is axially movable and hermetically mounted in a housing and axially biased by a pressing means. In a non-contact mechanical seal in which a spiral groove having an advancing angle with respect to the relative rotation direction is provided on the seal surfaces facing each other, and a sealed fluid is pumped between the seal surfaces, one of the non-rotating rings of the rotating ring Or, on both seal surfaces, two types of spiral wires that extend with their outer peripheral edge or inner peripheral edge as a base end and have an advancing angle with respect to the relative rotation direction, and have the same groove depth and different groove lengths The grooves are periodically provided in the circumferential direction, and the dam width ratio of one short spiral groove is about 0.2 to 0.5, and the dam width ratio of the other long spiral groove is about 0.
2 to 0.5, and the dam width ratio of the other long spiral groove is set to about 0.5 to 0.8, and the peak value of the dynamic pressure generated by the long and short spiral groove groups is set as the boundary of the dam width ratio of 0.5. Since the non-rotating ring is set to different positions inside and outside in the radial direction and a couple of forces that correct the deviation of the seal surface from being parallel due to the deformation of the rotating ring and the non-rotating ring are generated, The sealed fluid is pumped between the seal faces by the fluid transport action due to the relative rotation of the spiral groove group, and the dynamic pressure can keep both seal faces in a non-contact state at the time of high speed rotation. By forming a pressure distribution with a dynamic pressure peak value by each spiral groove group at different positions in the radial direction inside and outside of the seal surface with 0.5 as a boundary, it is possible to change the parallelism of the seal surface due to deformation of the non-rotating ring etc. Non-rotating couple to correct gap It has an excellent self-alignment function that can be generated in the ring and automatically adjusts the parallelism of both seal faces, and when the seal faces deviate from parallel, one of the spiral groove groups The peak value of the dynamic pressure becomes higher than that during normal operation, and the leakage of the enclosed fluid can be suppressed to a minimum.

また、非回転リングの断面における重心位置にもよる
が、短螺線溝のダム巾比を約0.3、長螺線溝のダム巾比
を約0.6に設定することにより、前記重心位置に対して
半径方向向外部に長短両螺線溝群の動圧のピーク値を有
する圧力分布を形成することができ、シール面の平行か
らのずれによって一方の螺線溝群の動圧のピーク値が増
大し、他方の螺線溝群の動圧のピーク値が減少し、圧力
バランスが崩れることで非回転リングに発生する偶力
が、効率的に重心周りに作用し、シール面が速かに平行
状態へ復帰する。
Also, depending on the position of the center of gravity in the cross section of the non-rotating ring, by setting the dam width ratio of the short spiral groove to about 0.3 and the dam width ratio of the long spiral groove to about 0.6, It is possible to form a pressure distribution having the peak value of dynamic pressure of both long and short spiral groove groups on the outside in the radial direction, and the peak value of dynamic pressure of one spiral groove group increases due to deviation of the seal surface from parallel. However, the peak value of the dynamic pressure of the other spiral groove group decreases, and the couple generated in the non-rotating ring when the pressure balance is disrupted effectively acts around the center of gravity, and the sealing surface is parallel to the fast Return to the state.

そして、溝の長さの異なる二種類の螺線溝を円周方向に
交互に設けたことにより、円周方向の動圧の分布を均一
にできる。
Further, the two types of spiral grooves having different groove lengths are alternately provided in the circumferential direction, so that the dynamic pressure distribution in the circumferential direction can be made uniform.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の非接触メカニカルシールを回転軸とハ
ウジング間の装着した状態の要部断面図、第2図は本発
明の螺線溝のパターンの一例を示す端面図、第3図〜第
5図は同じく螺線溝の他のパターンを示す端面図、第6
図は非回転リングが時計方向へ変形した状態の簡略側面
図、第7図は第6図の状態のシール面間の圧力分布図、
第8図は非回転リングが反時計方向へ変形した状態の簡
略側面図、、第9図は第8図の状態のシール面間の圧力
分布図、第10図は従来の非接触メカニカルシールにおい
て非回転リングが時計方向へ変形した状態の簡略側面
図、第11図は第10図の状態のシール面間の圧力分布図、
第12図は同じく従来の螺線溝のパターンを示す端面図で
ある。 M:非接触メカニカルシール、P01,P02:短螺線溝による圧
力、P11,P12:長螺線溝による圧力、C1,C2:偶力、W:断面
における重心、1:ハウジング、2:回転軸、3:回転リン
グ、4:非回転リング、5:シール面、6:シール面、7:押圧
手段、8:短螺線溝、9:長螺線溝、10:固定スリーブ、11:
フランジ部、12:段部、13:締着スリーブ、14:保持ナッ
ト、15:Oリング、16:Oリング、17:Oリング、18:保持装
置、19:段部、20:固定スリーブ、21:Oリング、22:摺動
部、23:Oリング、24:ディスク。
FIG. 1 is a sectional view of an essential part of a state in which a non-contact mechanical seal of the present invention is mounted between a rotary shaft and a housing, FIG. 2 is an end view showing an example of a spiral groove pattern of the present invention, and FIGS. FIG. 5 is an end view showing another pattern of the spiral groove, FIG.
The figure shows a simplified side view of the non-rotating ring deformed clockwise, and Fig. 7 shows the pressure distribution between the seal faces in the state of Fig. 6,
FIG. 8 is a simplified side view of the non-rotating ring deformed counterclockwise, FIG. 9 is a pressure distribution diagram between the seal faces in the state of FIG. 8, and FIG. 10 is a conventional non-contact mechanical seal. A simplified side view of the non-rotating ring deformed clockwise, FIG. 11 is a pressure distribution diagram between the sealing surfaces in the state of FIG. 10,
FIG. 12 is also an end view showing a conventional spiral groove pattern. M: Non-contact mechanical seal, P 01 , P 02 : Pressure due to short spiral groove, P 11 , P 12 : Pressure due to long spiral groove, C 1 , C 2 : Coupling force, W: Center of gravity in cross section, 1: Housing, 2: rotating shaft, 3: rotating ring, 4: non-rotating ring, 5: sealing surface, 6: sealing surface, 7: pressing means, 8: short spiral groove, 9: long spiral groove, 10: fixed Sleeve, 11:
Flange, 12: Step, 13: Fastening sleeve, 14: Holding nut, 15: O-ring, 16: O-ring, 17: O-ring, 18: Holding device, 19: Step, 20: Fixed sleeve, 21 : O-ring, 22: sliding part, 23: O-ring, 24: disc.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】回転軸に密封固定した回転リングのハウジ
ングに軸方向可動となして密封装着し且つ押圧手段にて
軸方向へ付勢した非回転リングとの対接するシール面に
相対的回転方向に対して前進角を有する螺線溝を設けて
封入流体をシール面間に圧送してなる非接触メカニカル
シールにおいて、回転リングと非回転リングの何れか一
方若しく両方のシール面に、その外周縁若しくは内周縁
を基端として延び、相対的回転方向に対して前進角を有
するとともに、溝の深さが同一且つ溝の長さの異なる二
種類の螺線溝を円周方向に周期的に設け、一方の短螺線
溝のダム巾比を約0.2〜0.5、他方の長螺線溝のダム巾比
を約0.5〜0.8に設定し、長短両螺線溝群によって発生す
る動圧の各ピーク値を、ダム巾比0.5を境としたシール
面の半径方向の内外異なる位置に設定し、回転リングや
非回転リングの変形に基づくシール面の平行からのずれ
を是正する偶力を非回転リングに発生させてなることを
特徴とする非接触メカニカルシール。
1. A relative rotation direction to a seal surface which is in contact with a non-rotating ring which is axially movable and hermetically mounted in a housing of a rotating ring which is hermetically fixed to a rotating shaft and which is axially urged by a pressing means. In a non-contact mechanical seal in which a spiral groove having an advancing angle is provided and the enclosed fluid is pumped between the seal surfaces, either the rotating ring or the non-rotating ring, or both sealing surfaces, Two types of spiral grooves that extend from the peripheral edge or the inner peripheral edge as a base end and have an advancing angle with respect to the relative rotation direction and that have the same groove depth and different groove lengths are periodically arranged in the circumferential direction. By setting the dam width ratio of one short spiral groove to approximately 0.2 to 0.5 and the dam width ratio of the other long spiral groove to approximately 0.5 to 0.8, the dynamic pressure generated by the long and short spiral groove groups can be adjusted. The peak value is different between inside and outside in the radial direction of the sealing surface with a dam width ratio of 0.5. Set the position, the non-contact mechanical seal, characterized by comprising by generating couple to correct a deviation from the parallel sealing surfaces due to the deformation of the rotating ring and non-rotating ring in a non-rotating ring.
【請求項2】一方の短螺線溝のダム巾比を約0.3、他方
の長螺線溝のダム巾比を約0.6に設定してなる請求項第
1項記載の非接触メカニカルシール。
2. The non-contact mechanical seal according to claim 1, wherein the dam width ratio of the one short spiral groove is set to about 0.3 and the dam width ratio of the other long spiral groove is set to about 0.6.
【請求項3】溝の長さの異なる二種類の螺線溝を円周方
向に交互に設けてなる請求項第1項又は第2項記載の非
接触メカニカルシール。
3. The non-contact mechanical seal according to claim 1 or 2, wherein two types of spiral grooves having different groove lengths are alternately provided in the circumferential direction.
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