JPS58211072A - 回転機の軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は例えば機内に水素ガスが充満したタービン発電
機の様な回転機の軸封装置に関するものである。

〔発明の技術的背景〕

この種の従来の回転機の軸封装置の一例について第１図
及び第２図によシ説明する。従来の回転機械の軸封装置
は、固定子に取付けられたベアリングブラケット５に取
付けられているシールケーシング６と、このシールケー
シング内に収納され回転軸１との間に狭い間隙９を形成
する様スプリング７にて支持されている。そして回転軸
ＩＫ並設されるシールリング８１．８２は円周方向に数
個（第２図では４個）に分割されている。外部よシ供給
される圧油はシールケーシング内に送られ、前記間隙を
通るンしによシ機内ガス４が外部へ漏出するフモ防止し
ている。

なお、図において２は軸受、３は機外〃ス、９は醋趨ζ
青５゜ 〔背景技術の問題点〕 以上述べた従来の軸封装置におけるシールリングは、加
工１組立上の問題から前述のように円周方向に数個に分
割されているが、回転中のシールリングの挙動を調査し
てみると、第３図に示す如く円周方向に分割されたシー
ルリング８の各セクタ８ａ＋８ｂ、８ｅ、８ｄは回転方
向に向うに従い回転軸１との間隙９が狭くなる。

以下、このことをシールリングの楔変形と呼ぶ。

これは各セクタ８８〜８ｄの合せ目に働くセクタ８ａ〜
８ｄ間相互の拘束力が摩擦力のみであるため、非常に小
さく、回転によシ発生する回転軸１とシールリング８間
の圧力とスゲリング７の圧力との約９合いによシ各セク
タ８８〜８ｄが各々独立した一種のパッド軸受の如く挙
動する為である。このシールリング８の楔変形は、圧油
中に異物が混入した場合、異物が狭くなった間隙に入シ
込み、シールリング８や回転軸１に傷がつき、密封油量
の増大や機内ガス漏洩を招く要因となシやすく、又定常
状態においても狭間隙部の摺動による損失増加、間隙の
絞シ効果による油量増加等、回転機械の信頼性確保の為
の問題となっていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、密封油量の低減、機内ガス消費量の低
減を計ると共に異物等による回転軸及びシールリングの
損傷を防止でき、安定した密封効果をもたらす回転機の
軸封装置を提供する二４にある。

〔発明の概要〕

本発明は上記目的を達成するため、シールリングの分割
された複数個のセクタの合せ目が半径方向に相互に拘束
される構造でおって、かつ半径方向に多層構成を成し、
このうち外層材の熱伝導率は内層材よシも大きく、線膨
張係数は外層材の方が内層材よシも小さく、弾性係数は
外層材の方が内層材よシも大きい材料で構成されている
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による軸封装置の実施例について図面を参
照して説明するが、はじめに第４図、第５図によシ本発
明が適用される軸封装置について説明する。図において
、シールリング８が分割された各セクタ８ｍ、８ｂ、ｌ
ｊｅ、８ｄ相互の合せ目が以下に述べるように半径方向
に拘束されている。すなわち、各セクタ８ａ〜８ｄ相互
の合せ目にピン１０が挿入されている。これ以外に各セ
クタ８ａ〜８ｄ相互が噛み合う構成としてもよい。

このように構成された軸封装置はシールリング８の各セ
クタ８ａ〜８ｄの合せ目が、半径方向に相互に拘束され
ているので、各セクタ８＆〜８ｄ間の合せ目のずれが防
止でき、前述のシールリング８の楔変形を防止すること
ができる。

このため、シールリング８を常時はぼ円形に保つ事がで
き、異物侵入時の回転軸及びシールリング８の傷付を防
止でき、定常状態における損失、油量低減を計る二ｔが
可能となる。

しかしながら、最近の出願人の実験結果によると、特に
高周速の回転軸に使用する場合、この方法だけではまだ
不充分であ本πが判明した。

第６図は高周速回転軸１に各セクタ８１〜８ｄの合せ目
をビンによシ半径方向に相互に拘束したシールリング８
を適用し、その回転中の挙動を計測した結果を示したも
のである。この計測結果によると各セクタ８ａ〜８ｄ間
の合せ目に例えばビン１０を挿入して組立てたシールリ
ング８は回転中合せ目がずれることなく回転軸１とシー
ルリング８間のすき間はある程度均一に保持される。と
ころが、回転軸１が高周速になると第６図に示すように
各セクタ８１〜８ｄの中央部におけるすき間が狭くなシ
、その傾向は周速が高い程顕著になるンビが判明した。

その理由は以下の通シに説明できる。

第７図は第゛６図の実験と同時に計測したシールリング
内部の温度分布を示したものである。

なお第７図の温度上昇は給油温度を基準としている。第
７図から明らかなようにシールリング８内部は半径方向
に可成シの温度差がついていることがわかる。つｉシ、
外周からは一定温度に制御された圧油が供給されるのに
対し、内周面は回転軸との摺動によシ発生した損失によ
シ温度が高くなる。従って、この温度差によシ、セクタ
８ａ〜８ｄ内部に温度モーメントが発生し、これにより
シールリング８の各セクタ８ａ〜８ｄは曲率が減少し反
シ返る。回転軸１の周速が低ければ損失が少いため、こ
の曲率減少は比較的少ない。しかし、回転軸１が高周速
になるに従い摺動面の損失が増加し、この傾向が増す。

また不都合なことに一旦曲率が減少すると、セクタ間の
合せ目が相互に拘束されているので、セクタ８１〜８ｄ
の中央部におけるすき間が減少しこれによシ、更にセク
タ８８〜８ｄの中央部摺動面の損失が増加し、温度が高
くなるためますます曲率が減少し、反り返りが増加する
という悪循環を繰り返す危険性がある。

そこで本発明では各セクタ間の合せ目をビン挿入方式、
噛み合い方式等の何らかの手段にょυ半径方向に相互に
拘束する一℃に加えて以下の改良を施した。すなわち、
第８図のシールリング８の各セクタ８ａ〜８ｄをそれぞ
れ半径方向に多層構成とし、各層の材料として次のよう
なものを使用する。すなわち、熱伝導率は内層材１ノに
比べて外層材１２が大きく、線膨張係数は内層材１１に
比べて外層材１２が小さく、弾性係数は内層材１ノに比
べて外層材１２が大きいものを使用する。このような特
性材料としては、種々あるが、例えば外層材１２として
は青銅鋳物を使用し、内層材１ノとしては例えばシール
メタルを使用する。さらに内層材の最内層は、この内周
側で第２層（この例の場合は外層）に鋳入一体化されて
いる。

次にこのように構成された軸封装置を高周速回転軸に使
用し、回転軸の挙動について計測した結果は第８図に示
している。この図から明らかなように、シールリング８
は高周速においても前述のようなセクタ８＆〜８ｄの中
央部におけるすき間の減少、すなわち反シ返シ現象はほ
とんど起こらず、回転軸１とシールリング８間のすき間
はほぼ均一に保持されるンＣが判明した。

その理由は以下の通シに説明できる。

第９図は第８図の実験と同時に計測したシールリング８
内部の温度分布を示したものである。

第９図から明らかなように、シールリング８内部は半径
方向にかなシの温度差がついていることがわかるが、第
７図に示す場合と比べ内層利１１での温度勾配が大きく
、外層材１２での温度勾配はｔｌとんどないことが判明
した。この理由としては、第１に内層材１１の熱伝導率
が、外層材１２に比べ小さい為、内層月１１の熱抵抗が
外層材１２に比べ大きくなる。第２に、シールリング８
１．８２の相対する面で構成されるすき間を流れる圧油
の円周方向の速度成分が第１０図に示すように内周側で
犬となる為、シールリング８側面の熱伝達率は内周側が
大となり、内周側での温度勾配は大きくなる。第３に、
内層材１ノと外層材１２は微視的には連続ではないので
、そこに境界層ができ熱抵抗が大きくなるという３点が
挙げられる。

今、この温度勾配の大半が内層材１１に生じるという温
度分布がシールリング８の変形に及ばず影響を説明する
ために、前述の従来のシールリング内温度分布（第７図
）と、本実施例の温度分布（第９図）ｌｃ模擬的に長方
形断面円温度分布として第１１図、第１２図の如く置き
換え、第１１図の如き温度分布の場合この長方形断面部
に発生する曲はモーメン）　Ｍｌｌと第１２図の場合の
曲げモーメントＭ１ｍを比較すると、第１２図でｔｊ（
Ｄ場合Ｍｌ！／Ｍｌｌ　均０．５６ｔ＝Ｈの場合　Ｍｎ
／　Ｍｔｉ　＃０．３１となｐ１第１１図の温度分布を
第１２図のように変える′ニー■によ付−メントは大き
く減少することがわかる。

本発明のシールリングにおいてもこれと同様であシ前述
の反シ返シ現象を引き起こす内外径の温度層による曲げ
モーメントは大きく減少する。

さらに、本発明のシールリング８においては、温度勾配
の大きい内層の弾性係数が小さいので、曲げモーメント
はさらに減少し、シールリング８の曲率変化を抑制する
ンりができる。

加えて、本発明のシールリング８においては、最内層が
内周側第２層に鋳入されているが、内層は外層に比べ線
膨張係数が大なる為、この鋳入作業によシ冷却後、シー
ルリング８の各セクタ８ａ〜８ｄに曲率を大きくする方
向の残留応力が生じ、前述の反り返シ現象はさらに生じ
難くなる。

なお、本発明は前述した実施例においては、シールリン
グの外層材として宵銅鋳物を使用し、内層材としてホワ
イトメタルを使用して２層構成とし、シールリングの合
せ目の拘束手段としてビンを使用したシールリングを取
シ上げ説明したが、本発明の主旨をもってすれば、前述
の実施例に限るものではない０例えば第１３図に示すよ
うに、第２層として内周近傍に熱伝導率の小さい金属（
例えば二ｙケル黄銅等）を溶射またはメッキによシ形成
している。また第１４図においては内周近傍に？ルト締
めまたはダグテール組込み等によシ熱絶縁体１４を設け
ている。いずれの方法も半径方向温度分布による曲げモ
ーメントを減少させ、反り返シ現象を防止するのに有効
である。

〔発明の効果〕

以上述べた如く本発明によれば、シールリングが円周方
向に分割されたセクタの合せ目を相互に拘束すると共に
、シールリング内の半径方向温度分布による曲げモーメ
ントを減少させるので、シールリングの楔変形及び反り
返シを防止でき、回転軸とシールリングとのすき間を円
周方向に均一に保持でき、このため、万一の異物侵入に
対して回転軸やシールリングの傷つきを防止し、油量増
加、軸封機能の低下を防止できると共に１定常状態にお
いても油量、損失、機内ガス消費量の低減が可能となシ
、密封油装置等の補機の縮小化、高価な機内ガス（通常
は水素）消費縮小化が可能となる回転機の軸封装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の水素冷却タービン発電機の軸封装置の上
半部の一部を示す断面図、第２図は第１図の軸封装置に
使われるシールリングの構成図、第３図は従来のシール
リングの挙動説明画、第４図、第５図は本発明に用いる
シールリングの一例の上半部の一部を示す断面図、第６
図はシールリングが分割されたセクタの合せ目を拘束し
ただけの軸封装置における高周速状態下の挙動説明図、
第７図は第６図におけるシールリングの内部温度分布実
測値説明図、第８図は本発明による軸封装置の一実施例
の挙動説明図、第９図は第８図の軸封装置の内部温度分
布実測説明図、第１０図は同実施例のシールリングの相
対する面で構成されるすき間を流れる圧油の円周方向速
度成分の分布を示す説明図、第１１図および第１２図は
同実施例の温度分布と曲げモーメントの関係を説明する
為の模式図、第１３図および第１４図はそれぞれ異る本
発明の軸封装置のシールリングの上半部のみを示す断面
図である。 １・・・回転軸、２・・・軸受、３・・・機外ガス、４
・・・機内ガス、５・・・ベアリングブラケット、６・
・・シールケーシング、７・・・スプリング、８・・・
セクタ８ａ・・・８ｄからなるシールリング、９・・・
間隙、１０・・・ビン、１１・・・内層材、１２・・・
外層劇、１３・・・溶射又はメッキ層、１４・・・熱絶
縁体。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９閣 第１１図 雇１１工暑（・Ｃ） ＠　　１２　　図 ＯＴ 急痕上モ（０Ｃ） 第　１３　　ｒｌＡ １ 第１４図 第１頁の続き ０発　明　者　宇野修悦 横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地東京芝浦電気株式会社京浜事 某所内 ０発　明　者　佐竹二部 横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地東京芝浦電気株式会社京浜事 業所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）容器に取付けられたシールケーシング内に収納さ
   れ、円周方向に複数個に分割されたセダ フタ外周面にスゲリングを設けて各セクタ貴一体化支持
   されたシールリングと、回転軸との隙間に圧油を供給す
   る軸封装置において、前記シールリングが、円周方向に
   分割され、そのシールリングの各セクターの合せ目が半
   径方向に相互に拘束される構造であって、且つ半径方向
   に多層構成とし、このうち外層材の熱伝導率は内層材の
   熱伝導率よシも大きく、さらに前記外層材の線膨張係数
   は前記内層材の線膨張係数よシも小さく、また前記外層
   材の弾性係数は前記内層材の弾性係数よシも大きい材料
   で構成した；琶を特徴とする回転機の軸封装置。 （２ン　　円周方向に分割されたシールリングの各セク
   タの合せ目を半径方向に相互に拘束する手段として合せ
   回軸方向にビンを挿入した；Ｌを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の回転機の軸封装置。 （３）　　内層材の最内層としてホワイトメタルを使用
   し、これを外層材の内周に鋳入した二区を特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の回転機の軸封装置
   。 （４）　　シールリングは半径方向に２層構成とし、外
   周側を青銅鋳物として内周側にホワイトメタルを鋳入し
   たシ亡を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の軸封装
   置。 （５）　　シールリングは半径方向に２層構成とし、外
   周側を青銅鋳物として内周側にホワイトメタルを鋳入し
   た；亡を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の回転機
   の軸封装置。