JPH0769019B2 - 非接触形メカニカルシール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばガスタービン、
ブロアーおよびエアコンプレッサーなどの高圧流体機器
の軸封部に適用される非接触形メカニカルシールに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えばガスタービン、ブロア
ーおよびエアコンプレッサーなどの高圧流体機器の軸封
部に適用される非接触形メカニカルシールとして、図１
に示すような構成のものが知られている。これは、被軸
封機器の回転部材１（図示例では回転軸）と同時回転す
る回転密封環２Ａを設けた回転側シール要素２と、被軸
封機器のケーシング３側に回り止めピン３Ａを介して回
転不能に保持された静止密封環４Ａをもった固定側シー
ル要素４と、上記回転部材１側のスプリングリテーナ２
Ｂに保持されて回転密封環２Ａに静止密封環４Ａに対し
て当接する方向のばね力を付勢するスプリング２Ｃとを
備えたものである。

【０００３】そして、上記回転密封環２Ａのシール面２
ａには、図７に示すように、円周方向に等間隔を隔てて
配置され、径方向にのびる幅狭深底の流体導入溝５を複
数形成し、これら流体導入溝５のそれぞれに連通し、か
つ円周方向の一方（例えば矢印ａで示す回転方向の反対
側）に延びる幅広浅底の動圧発生グルーブ６を形成して
いる。

【０００４】このメカニカルシールでは、回転密封環２
Ａが回転すると、高圧側Ｙの流体が流体導入溝５から動
圧発生グルーブ６に流入して、シール面２ａと、静止密
封環４Ａのシール面４ａとの間に動圧を発生させ、シー
ル面２ａをシール面４ａから離す方向に付勢し、シール
面２ａをシール面４ａに当接させる方向に付勢している
スプリング２Ｃのばね力とのバランス点の圧力によっ
て、シール面２ａ，４ａ間に、例えば５〜２０μｍ程度
の狭いシール隙間を形成して低圧側Ｘと高圧側Ｙとを非
接触状態でシールすることができる。

【０００５】ところで、高圧流体が封入されている高圧
側Ｙに配置された回転密封環２Ａに、径方向に不均等な
負荷の分布状態で高い圧力が負荷された場合、負荷の不
均等分布に起因して回転密封環２Ａに歪を生じることが
ある。それにもかかわらず、図７に示した非接触形メカ
ニカルシールでは、回転密封環２Ａのシール面２ａに、
流体導入溝５に連通する動圧発生グルーブ６のみが形成
されているだけであるから、前述の歪によって動圧発生
グルーブ６の動圧発生機能が低下し、シール面２ａを開
けようとする力とスプリング２Ｃのばね力を含む回転密
封環２Ａの背面側からのシール面２ａを閉じようとする
力のバランスが崩れて隙間を縮小もしくは消失させ、そ
の結果、シール面２ａ，４ａ同士が接触してシール破壊
を生じさせることになる。

【０００６】また、回転密封環２Ａに前述の歪が生じな
い場合でも、起動時または停止前の低速回転時のよう
に、動圧が低下する低回転領域において、シール面２
ａ，４ａ同士の接触によりシール破壊を起こすおそれも
有る。

【０００７】しかも、動圧発生グルーブ６が流体導入溝
５に連通して円周方向の一方にのみ延びて形成されてい
るから、回転密封環２Ａを矢印ａで示す回転方向、つま
り流体導入溝５を前側に位置させた方向に回転させなけ
れば、動圧発生グルーブ６によって動圧を有効に発生さ
せることができない。したがって、回転方向が一方向に
のみ制限される。

【０００８】このような不都合をなくするために、既
に、図８に示すように回転密封環２Ａのシール面２ａに
円周方向に等間隔を隔てて配置されて外端が径外側に開
口しかつ内端がシール面内に存在して径内方向に延びる
流体導入溝５が複数形成され、これら流体導入溝５から
選択された溝５Ｂに連通しかつ円周方向の両方に延びる
動圧発生グルーブ６が形成されるとともに、上記選択さ
れた溝５Ｂ以外の流体導入溝５Ａに連通して円周方向の
両方に延びる静圧発生グルーブ７が形成された非接触形
メカニカルシールが提案されている。

【０００９】この既に提案されている図８に示す構成の
非接触形メカニカルシールは、静圧発生グルーブ７に流
体が入り圧力（以下、ポケット圧と称する）が発生す
る。このため、回転密封環２Ａの歪で動圧発生グルーブ
６の動圧発生機能が低下しても、上記ポケット圧が静圧
として作用してシール面２ａ，４ａ同士の接触を回避す
ることができ、また、動圧発生グルーブ７が円周方向の
両方に延びているので、正逆いずれの方向の回転でも動
圧を発生させることが可能となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記したような構成の
従来の非接触形メカニカルシールは、流体導入溝５Ａに
連通して円周方向の両方向へ延びる静圧発生グルーブ７
でポケット圧が生じるけれども、この静圧発生グルーブ
７がそれぞれ円周方向で独立しているので、円周方向で
均等的な圧力分布が得られにくい。すなわち、上記各静
圧発生グルーブ７の先端側の圧力が局部的に大きくな
り、このような局部的な圧力ピークをなくするために、
回転時における円周方向での圧力分布を十分に考慮して
動圧発生グルーブ６等を設計しなければならないが、こ
れは回転速度によっても変化するために、実際問題とし
て、円周方向での圧力分布の均等化は設計面および製作
面で技術的に非常に難しく、もれ量の予測が困難にな
る。

【００１１】本発明は上記の実情に鑑みてなされたもの
であり、適正なシール隙間を確保し、シール破壊のおそ
もなく、正逆回転も可能なことは勿論のこと、設計条件
および製作条件の容易化を図ることができる非接触形メ
カニカルシールを提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る非接触形メカニカルシールは、被軸封
機器の回転部材と同時回転する回転密封環を設けた回転
側シール要素と、被軸封機器のケーシング側に回転不能
に保持されて上記回転密封環に対向する静止密封環を設
けた固定側シール要素と、上記回転密封環と静止密封環
とのいずれか一方に他方側に対して当接する方向のばね
力を付勢するスプリングとを備えた非接触形メカニカル
シールにおいて、上記回転密封環のシール面に円周方向
に等間隔を隔てて配置されて外端が径外側に開口しかつ
内端がシール面内に存在して径内方向に延びる流体導入
溝が複数形成され、これら流体導入溝の途中に連通しか
つ円周方向の両方に延びる動圧発生グルーブが形成さ
れ、さらに、上記シール面における動圧発生グルーブよ
りも内径側に位置して上記流体導入溝の各内端に連通し
て円周方向に連続し、かつ上記動圧発生グルーブよりも
深さ寸法の大きい静圧グルーブが形成されたものであ
る。

【００１３】

【作用】本発明によれば、回転密封環の回転により、流
体導入溝に連通する動圧発生グルーブに径外側（高圧
側）から流体が進入して動圧を発生させ、この動圧によ
って所定のシール隙間を形成して非接触状態でシールす
る。

【００１４】この時、流体導入溝に連通する静圧発生グ
ルーブに流体が進入してポケット圧を発生させる。した
がって、回転密封環に歪が生じて動圧発生グルーブの動
圧発生機能が低下して、動圧が低下したり、或いは起動
時や停止前などの低回転領域において動圧が低下したと
しても、静圧発生グルーブで発生するポケット圧が静圧
として作用しシール面同士の接触を回避させることがで
きる。

【００１５】しかも、動圧発生グルーブが流体導入溝に
連通して円周方向の両方に延びて形成されているから、
回転密封環を正逆いずれの方向に回転させても、動圧を
発生させることができる。

【００１６】特に、上記静圧発生グルーブが円周方向で
連続しているので、円周方向で一様な圧力分布となり、
しかも、静圧発生グルーブの深さを動圧発生グルーブよ
りも深くしてポケット圧で動圧を妨げないようにしてい
るので、つまり、動圧発生グルーブ部とシール部とを機
能的に分割できるために、もれ量の予測、自己整合機能
の推測などが容易となり、非接触シールの設計および製
作が非常に容易となる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は非接触形メカニカルシールの全体構成を示
す縦断側面図、図２は回転密封環の実施例を示す正面図
であり、本発明の特徴は回転密封環のシール面の動圧発
生グルーブに対する発生グルーブの構成にあり、この点
を除く他の部材および構成は従来例と異ならないので、
図２において、図８に相当する部分には、それぞれ同一
符号を付して、その詳細な説明は省略する。

【００１８】図１および図２において、回転密封環２Ａ
のシール面２ａには、円周方向に等間隔を隔てて配置さ
れて外端がシール面２ａの径外側（高圧側Ｙ）に開口
し、内端がシール面２ａ内に存在して径内方向にのびる
流体導入溝５が３本以上、例えば８本形成されている。
この流体導入溝５の幅は０．５〜５ｍｍで、深さは５〜
１００μｍに設定されている。

【００１９】上記流体導入溝５の途中に連通する動圧発
生グルーブ６は円周方向の両方へ延びている。この動圧
発生グルーブ６の円周方向の長さｘと、動圧発生グルー
ブ６の各先端同士の間隔ｙは、流体導入溝５間の距離ｌ
の１／３程度に設定されている。この動圧発生グルーブ
６の幅は１〜５ｍｍで、深さは３〜１５μｍに設定され
ている。

【００２０】上記シール面２ａには、動圧発生グルーブ
６よりも内径側に位置して流体導入溝５の内端に連通す
る静圧発生グルーブ７が形成されている。この静圧発生
グルーブ７は円周方向に連続しており、その幅は１〜５
ｍｍで、深さは上記動圧発生グルーブ６よりも深く、５
〜１００μｍに設定されている。

【００２１】なお、図６に示すように、静止密封環４Ａ
のシール面幅をＷ、静止密封環４Ａの外端から静圧発生
グルーブ７の外側縁までの寸法をｇ、静圧発生グルーブ
７の内側縁から静止密封環４Ａの内端までの寸法をＳ、
動圧発生グルーブ６の幅寸法をｄとした時に、Ｓ／Ｗ＝
０．２〜０．５、ｇ／Ｗ＝０．５〜０．８、ｄ／ｇ＝
０．２〜０．８に設定されている。

【００２２】上記のような構成であれば、回転密封環２
Ａを矢印ａ方向に回転させることによって、流体導入溝
５における流体導入溝５から高圧側Ｙの流体が動圧発生
グルーブ６に流入して、回転密封環２Ａのシール面２ａ
と、静止密封環４Ａのシール面４ａの間に図３および図
４に示すような動圧を発生させ、シール面２ａをシール
面４ａから離す方向に付勢し、流体圧とスプリング２Ｃ
のばね力とのバランス点の圧力によって、シール面２
ａ，４ａ間に例えば５〜２０μ程度の狭いシール隙間が
形成され、低圧側Ｘと高圧側Ｙとが非接触状態でシール
される。

【００２３】この時、流体導入溝５の内端に連通する静
圧発生グルーブ７にも流体が進入してポケット圧が発生
される。したがって、回転密封環２Ａに、例えば前述の
理由による歪が生じて、動圧発生グルーブ６の動圧発生
機能が低下して、動圧が小さくなったり、或いは回転密
封環２Ａの起動時や停止前などの低回転領域において動
圧が低下したとしても、静圧発生グルーブ７で発生する
ポケット圧が静圧として作用してシール面２ａ，４ａ同
士の接触を回避させるので、所定のシール隙間が確保さ
れてシール破壊が未然に防止される。

【００２４】また、流体導入溝５に対して動圧発生グル
ーブ６が円周方向の両方向へ延びているので、回転密封
環２Ａを矢印ａ，ｂで示す正逆いずれの回転時におい
て、上記と同じ作用効果を奏することができる。即ち、
回転方向が一方向にのみ制限されることなく、正逆いず
れの方向に回転密封環２Ａを回転させても、非接触状態
でのシールを達成することができる。

【００２５】特に、上記静圧発生グルーブ７が円周方向
に連続しているので、上記ポケット圧が円周方向で局部
的に大きくなったりすることもない。しかも、上記静圧
発生グルーブ７の深さを動圧発生グルーブ６の深さより
も大きくしているので、図５に示すように、流体導入溝
５上での径方向の圧力分布も一様となり、動圧発生を妨
げない。換言すれば、動圧発生グルーブ６の形成部位の
シール面全周にわたってシール面２ａ，４ａを離すに十
分な量のシールガスが確実に得られるので、上記動圧発
生グルーブ６の設定条件の一つに静圧発生グルーブ７の
静圧を考慮することが不要となり、もれ量の予測、自己
整合機能の推測が容易で、それだけ設計条件および製作
条件が少なくなり、シール性能に優れたものの製作が容
易となる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、回転密
封環の回転により、流体導入溝に連通する動圧発生グル
ーブに径外側（高圧側）から流体が進入して動圧を発生
させ、この動圧によって所定のシール隙間を形成して非
接触状態でシールすることができると同時に、流体導入
溝に連通する静圧発生グルーブに流体が進入してポケッ
ト圧が発生される。したがって、回転密封環に歪が生じ
て動圧発生グルーブの動圧発生機能が低下して、動圧が
小さくなったり、或いは起動時や停止前などの低回転領
域において動圧が低下したとしても、静圧発生グルーブ
で発生するポケット圧が静圧として作用し、シール面同
士の接触を回避させることができるため、所定の隙間が
確保され、シール破壊を未然に防止することができ、し
かも、回転密封環の回転方向が制限されず、正逆いずれ
の方向に回転密封環を回転させても、非接触状態でシー
ルすることができる。

【００２７】その上、上記流体導入溝の内端に連通する
静圧発生グルーブを深溝にして円周方向に連続して形成
することによって、静圧分布も均一的となって、動圧発
生グルーブ側の設計および製作の容易化を図ることがで
きる。

【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メカニカルシ
ールの全体構成を示す縦断側面図である。

【図２】同非接触形メカニカルシールの回転密封環を示
す拡大正面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って圧力分布状態
と共に示す断面図である。

【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿って圧力分布状態と共
に示す断面図である。

【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿って圧力分布状態と共に示
す断面図である。

【図６】回転密封環のシール面の寸法関係の説明図であ
る。

【図７】動圧発生グルーブを有する従来の回転密封環の
上半部を示す拡大正面図である。

【図８】従来の回転密封環の上半部を示す拡大正面図で
ある。

【符号の説明】

１ 回転部材 ２ 回転側シール要素 ２Ａ 回転密封環 ２ａ シール面 ２Ｃ スプリング ３ ケーシング ４ 固定側シール要素 ４Ａ 静止密封環 ５ 流体導入溝 ６ 動圧発生グルーブ ７ 静圧発生グルーブ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被軸封機器の回転部材と同時回転する回
   転密封環を設けた回転側シール要素と、被軸封機器のケ
   ーシング側に回転不能に保持されて上記回転密封環に対
   向する静止密封環を設けた固定側シール要素と、上記回
   転密封環と静止密封環とのいずれか一方に他方側に対し
   て当接する方向のばね力を付勢するスプリングとを備え
   た非接触形メカニカルシールにおいて、上記回転密封環
   のシール面に円周方向に間隔を隔てて外端が径外側に開
   口しかつ内端がシール面内に存在して径内方向にのびる
   流体導入溝が複数形成され、これら流体導入溝の途中に
   連通しかつ円周方向の両方に延びる動圧発生グルーブが
   形成され、さらに、上記シール面における動圧発生グル
   ーブよりも内径側に位置して上記流体導入溝の各内端に
   連通して円周方向に連続し、かつ上記動圧発生グルーブ
   よりも深さ寸法の大きい静圧発生グルーブが形成されて
   いることを特徴とする非接触形メカニカルシール。