JPH081259B2 - 非接触シール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばタービン，ブロ
ワ，遠心圧縮機等の主として気体（窒素，アルゴン，水
素，天然ガス，空気等）を扱う回転機器において好適に
使用される非接触シール装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の非接触シール装置として
は、図３に示す如く、回転軸２に固定された回転密封環
３の密封端面３ａと、シールケース１に保持環５及びス
プリング６を介して軸線方向移動可能に附勢保持された
静止密封環４の密封端面４ａとの間に、回転側密封端面
３ａに設けた動圧発生溝３ｂにより流体膜を介在形成さ
せることによって、流体膜の形成部分であるシール部分
Ｓにおいて高圧流体領域Ｈと低圧流体領域Ｌとの間をシ
ールしうるように構成されたものがよく知られている。
ここに、静止密封環４と保持環５とは、スプリング６
（及び流体圧力）により軸線方向において相互に押し合
う接触状態に保持されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、各環３，
４，５には、運転に伴う発熱や機器のシステム圧によっ
て熱歪や圧力歪が生じる。なお、熱歪は、主として、シ
ール部分Ｓの剪断力による発熱によって発生するもので
あり、その発熱量は流体の剪断力による仕事量と等価で
ある。すなわち、流体の剪断力は一般にμ（Ｖ／ｈ）
（μ：粘性率，Ｖ：周速，ｈ：流体膜（密封端面２ａ，
６ａ間の隙間）の厚さ）で与えられるが、この剪断力に
よる仕事量つまり発熱量は剪断力にシール部分の面積，
バランス径，角速度を剰じたものとなる。

【０００４】そして、各環３，４，５に生ずる熱歪量，
圧力歪量は、これらの環３，４，５がその機能の違いか
ら熱膨張係数，ヤング率の異なる異質材で構成されてい
ることから、相互に異なる。例えば、回転密封環３はＷ
Ｃ，ＳｉＣ等の超硬質材で、静止密封環４はカーボン等
の比較的軟質材で、保持環５はＳＵＳ３０４，Ｔｉ等の
金属材で構成されている。

【０００５】一方、非接触シール装置にあっては、両密
封端面３ａ，４ａ間に流体膜を形成させるものであるか
ら、良好なシール機能を発揮させるためには、各密封端
面３ａ，４ａの平滑度及び両密封端面３ａ，４ａの平行
度を如何に維持させておくかが極めて重要となる。

【０００６】ところが、上記した従来のシール装置にあ
っては、回転密封環３については、熱膨張係数の小さな
超硬質材で構成されているため熱歪量，圧力歪量が小さ
いが、静止密封環４及び保持環５については、かかる歪
量が大きい。しかも、静止密封環４における保持環５と
の接触部分１２においては、静止密封環４にこれと歪量
や歪状態の異なる保持環５がスプリング６及び流体圧力
によって強く押圧せしめられていることから、保持環５
の歪が静止密封環４に干渉して、静止密封環４のみから
生じる歪とは異なった歪状態を呈することになる。

【０００７】このように静止密封環４の歪が保持環５の
歪に干渉されると、静止側密封端面４ａの平滑度及びこ
れと回転側密封端面３ａとの平行度が損なわれ、その結
果、シール部分Ｓにおける圧力分布が不適正なものとな
り、良好なシール機能を発揮し得なくなる。

【０００８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
で、特に静止側密封端面における熱歪，圧力歪が過大と
ならないようにして、両密封端面の平滑度及び平行度を
適正に維持できるように工夫した非接触シール装置を提
供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸に固定
された回転密封環と、シールケースにシールされた状態
で軸線方向摺動自在且つ回転不能に内嵌保持された保持
環と、回転密封環と保持環との間に介挿されており、保
持環に軸線方向への相対移動を可能ならしめると共に相
対回転を阻止された状態で連結された静止密封環と、前
記保持環とシールケースとの間に介装されて、静止密封
環を保持環を介して回転密封環へと押圧附勢するスプリ
ングと、を具備して、両密封環間に流体膜によるシール
部分を形成させるように構成されており、両密封環及び
保持環が夫々熱膨張係数及びヤング率の異なる異質材で
構成されている非接触シール装置において、上記の目的
を達成すべく、特に、静止密封環の背面とこれに対向す
る保持環の端面との間を、軸線方向において、該保持環
の端面に形成した環状溝に係合保持させたＯリングによ
りシールされた非接触状態に保持させると共に、前記保
持環の端面に、前記環状溝の内周側壁から連なって静止
密封環の内周側空間へと突入する環状凸部を形成してお
くことを提案するものである。

【００１０】

【作用】静止密封環と保持環とはスプリング及び流体圧
力によって強く押圧し合う状態に保持されているが、そ
の押圧は弾性材たるＯリングを介して行われており、両
環の直接的な接触により行われているものでない。

【００１１】したがって、両環の押圧部分においては各
環の歪がＯリングにより吸収されて相手環の歪と干渉す
ることがないから、両環の熱歪量，圧力歪量が異なると
しても、静止密封環の歪分布が保持環の歪による影響を
受けるようなことがない。その結果、静止側密封端面の
平滑度やこれと回転側密封端面との平行度が損なわれた
りすることがない。

【００１２】そして、静止密封環と保持環との間はＯリ
ングにより良好に密封されることになる。また、スプリ
ングによる押圧力は保持環からＯリングを介して静止密
封環に与えられることから、静止密封環の回転密封環へ
の押圧力は適正に維持され、シール機能に何らの悪影響
も及ぼさない。

【００１３】このように、Ｏリングは、本来のシール機
能の他、静止密封環に対する保持機能及び歪吸収機能を
併せ持つものである。また、このＯリングは、保持環に
形成した環状溝に係合保持されており、しかも環状溝の
内周側壁から連なる環状凸部によって内周方向への移動
を阻止されているから、運転時におけるシール装置の振
動により静止密封環と保持環との間に相対変位が生じた
ときにも、当該Ｏリングが環状溝からはみ出したり脱落
したりすることがない。したがって、上記したこととも
相俟って、安定したシール機能を発揮させることができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の構成を図１及び図２に示す実
施例に基づいて具体的に説明する。

【００１５】図１に示す非接触シール装置において、１
は高圧側密封流体領域（例えば、タービン等の機内であ
る高圧ガス領域）Ｈと低圧側密封流体領域（例えば、タ
ービン等の機外である大気領域）Ｌとを区画するシール
ケース、２はシールケース１を洞貫するタービン軸等の
回転軸、３は回転軸２に固定された回転密封環、４は回
転密封環３の密封端面３ａに平行する平滑な密封端面４
ａを有する静止密封環、５は静止密封環４の背面側にお
いてシールケース１に保持された保持環、６はシールケ
ース１と保持環５との間に介装されたスプリングであ
る。

【００１６】回転側密封端面３ａには、例えばスパイラ
ル状の動圧発生溝３ｂが形成されており、両密封環３，
４の相対回転に伴い動圧を発生せしめて、その密封端面
３ａ，４ａ間に流体膜を介在形成させるようになってい
る。すなわち、この流体膜の形成部分であるシール部分
Ｓにおいて、両密封流体領域Ｈ，Ｌ間をシールするよう
になっている。

【００１７】静止密封環４はカーボン等で構成されたも
ので、保持環５にドライブピン７を介して相対回転不能
且つ軸線方向相対移動可能に保持されている。

【００１８】保持環５は、円筒状の被保持部分５ａと円
環状のスプリング受部分５ｂとを備えた断面略Ｌ字形状
にＳＵＳ３０４，チタン等の金属材で構成されたもの
で、シールケース１に第一Ｏリング８を介してシール状
態で軸線方向移動可能に且つドライブピン９を介して相
対回転不能に保持されている。なお、ドライブピン７，
９は共通のものとすることもできる。

【００１９】そして、静止密封環４と保持環５との間
は、図１及び図２に示す如く、第二Ｏリング１０を介在
させることによって、シールされた非接触状態に保持さ
れている。

【００２０】すなわち、保持環５の端面５ｃに形成した
環状溝５ｄに第二Ｏリング１０を突出状に嵌挿保持させ
ることによって、両環４，５を、その対向端面４ｂ，５
ｃ間に適当なクリアランス１１ａを有する非接触状態
で、第二Ｏリング１０を介して相互に押圧し合うように
保持させてある。また、保持環５の端面５ｃには、環状
溝５ｄの内周側壁に連なる環状凸部５ｅが突設されてい
て、第二Ｏリング１０の内周方向への食み出し及びズレ
を防止するように工夫してある。なお、保持環５におい
ては、被保持部分５ａの外径が環状凸部５ｅの外径より
大きくならないように設定されている。また、静止密封
環４の内周部には、保持環５の環状凸部５ｅが若干のク
リアランス１１ｂを有して内嵌突入しうる環状段部４ｃ
が形成されている。

【００２１】以上のように構成された非接触シール装置
にあっては、静止密封環４と保持環５とが直接的には接
触しておらず、第二Ｏリング１０を介して相互に押圧し
合う状態に保持されているから、その押圧部分において
は各環４，５の熱歪，圧力歪が弾性材である第二Ｏリン
グ１０により吸収されて相互に干渉することがない。し
たがって、静止密封環４の歪分布が保持環５の歪による
影響を受けるようなことがない。その結果、静止側密封
端面４ａの平滑度及び回転側密封端面３ａとの平行度が
損なわれたりすることがなく、長期に亘って良好なシー
ル機能が発揮される。

【００２２】また、両環４，５が直接的には接触してい
ないものの、第二Ｏリング１０を介して相互に押圧し合
う状態に保持されることから、静止密封環４の保持機能
及び両環４，５間のシール機能も良好に発揮されること
になる。

【００２３】特に、かかる機能は、上記した如く、両環
４，５に段部４ｃ，凸部５ｅを設けて、Ｏリング１０の
内周側への食み出しやズレを防止しておくことによっ
て、より確実に発揮されることになる。

【００２４】ところで、回転軸２の軸振れ時や静止側密
封要素４，５の追従時においては、これに伴う静止側密
封要素４，５の軸線方向変位が第一Ｏリング８により吸
収，対処されることになり、第二Ｏリング１０に負荷を
与えることがない。したがって、第二Ｏリング１０によ
る静止密封環４の歪吸収機能は、軸振れ等によっては影
響を受けることがない。

【００２５】なお、本発明の非接触シール装置は上記実
施例に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸
脱しない範囲において適宜に改良，変更する事ができ
る。例えば、第二Ｏリング１０を設ける径方向位置や両
環４，５間のクリアランスは、構成部材の形状や流体圧
力等の条件に応じて適宜に設定される。特に、第二Ｏリ
ングの径方向位置は静止密封環４の歪吸収機能や保持機
能を考慮して設定される。また、両密封端面３ａ，４ａ
間に流体膜を形成させるための手段も任意である。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解されるよう
に、本発明によれば、静止密封環と保持環とが、機能の
違いから材質を異ならしめておく必要があり、そのため
に熱歪量，圧力歪量が異なるものである、ことによって
生ずる宿命的な欠点を排除して、静止側密封端面の平滑
度及びこれと回転側密封端面との平行度を適正に維持す
ることができ、静止密封環と保持環との間をシールする
Ｏリングがズレたり脱落したりすることがないこととも
相俟って、長期に亘って良好且つ安定したシール機能を
発揮させることができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非接触シール装置の一実施例を示
す半截断面図である。

【図２】図１の要部を拡大して示す詳細図である。

【図３】従来の非接触シール装置を示す半截断面図であ
る。

【符号の説明】

１ シールケース ２ 回転軸 ３ 回転密封環 ３ａ 回転側密封端面 ４ 静止密封環 ４ａ 静止側密封端面 ５ 保持環 ６ スプリング １０ 第二Ｏリング（Ｏリング） Ｓ 流体膜によるシール部分

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に固定された回転密封環と、シー
   ルケースにシールされた状態で軸線方向摺動自在且つ回
   転不能に内嵌保持された保持環と、回転密封環と保持環
   との間に介挿されており、保持環に軸線方向への相対移
   動を可能ならしめると共に相対回転を阻止された状態で
   連結された静止密封環と、前記保持環とシールケースと
   の間に介装されて、静止密封環を保持環を介して回転密
   封環へと押圧附勢するスプリングと、を具備して、両密
   封環間に流体膜によるシール部分を形成させるように構
   成されており、両密封環及び保持環が夫々熱膨張係数及
   びヤング率の異なる異質材で構成されている非接触シー
   ル装置において、静止密封環の背面とこれに対向する保
   持環の端面との間を、軸線方向において、該保持環の端
   面に形成した環状溝に係合保持させたＯリングによりシ
   ールされた非接触状態に保持させると共に、前記保持環
   の端面に、前記環状溝の内周側壁から連なって静止密封
   環の内周側空間へと突入する環状凸部を形成してあるこ
   とを特徴とする非接触シール装置。