JPS5848730B2 - シヤフトステイフネスセイギヨソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、全体としてはターボ機械等に用いるための改
良されたシール装置に関する。

限定的な意味でなく具体的にいうと、本発明は、改良さ
れたシール装置と、これと共に作動する制御システムと
に関するものであり、このシステムは、夕一ボ機械のロ
ータとの間及びノ・ウジングとの間に共に液体シールを
与え、さらにターボ機械の動作中の危険速度をより高い
ものとするためにロータシャフトのステイフネスを事実
上可変にする可変シャフトサポートを与えるものである
。

ターボ機械においては複数の段（ステージ）を設けるこ
とが望ましいので、比較的長いシャフトを使用すること
が多い。

このようなターボ機械では、機械の回転部分の慣性を低
減するためできるだけシャフトの直径を小さく維持する
ことが望ましい。

多段機械においてはシャフトがかなり長いので、比較的
長い可撓性のシャフトを使用する際にひきおこされる振
動のため相当な困難に遭遇していた。

はっきりいうと、回転速度がシャフトの危険速度を通過
するとき振動を軽減するようにシャフトステイフネスを
維持する必要があるのである。

今日の高いシャノト動作速度に鑑みると、できるだけ危
険速度を増大させることが非常に望ましい。

さらに問題を複雑にするのは、ターボ機械においてはシ
ャフトハウジングの各端部に配置されるベアリング間に
シャフト支持用ベアリングを取付けることが実際的でな
いということである。

シャフトステイノネスがノ・ウジングに対して加圧流体
によりバイアスされるシールの使用によりある程度増大
され、それによりハウジングとシールとの間に摩擦係合
が生ずることにこれまでにわかっている。

かような力は、圧力により発生される摩擦力が限界をこ
えるまでシャフトが回転するとき、シャフトの横方向も
しくは半径方向の運動に抵抗する。

勿論、シールは既知の条件に対して最適の摩擦力を与え
るように設計されうる。

しかしながら、動作中にはいくつかの予測可能な力がし
ばしばロータの動特性に混入され、かような力は原設計
の段階で完全に予期しえないものである。

このような状況においては、ターボ機械が予測不能な力
を克服するように動作している間に加えられる摩擦力の
大きさを変化できるようにすることが極めて望ましい。

本発明は、有効にシールとして機能するとともに、予測
不能なロータダイナミツクローデイングを克服するよう
に摩擦係合の大きさを変化させる改良されたシャフトス
テイフネス制御装置を提供することを目的とするもので
ある。

かような本発明の目的及び利点は、本発明の改良型シャ
フトステイフネス制御装置によって達成される。

この装置は、少な《とも１つの半径方向面を有する中空
ハウジングと、このハウジングを介して延伸するロータ
シャフトと、このシャフトを回転自在に支持するため前
記ハウジング内に難問配置された一対のベアリングと、
潤滑及びシールのための加圧流体を発生する圧力流体装
置とをそなえたターボ機械において有用なものである。

シールは、シャフトを包囲するノ・ウジング内に配置さ
れ、該シールは第１及び第２の端部を有する環状シール
本体をそなえている。

シールの第２の端部はハウジング内で圧力流体にさらさ
れる。

両端部間は延伸する孔は、シャフトを回転可能に且つシ
ール可能に受入れるような大きさを有する。

シールの第１の端部は、ハウジングの半径方向面にシー
ル可能に摩擦可能に係合するための一対の離間し且つ軸
方向に突出した環状フランジをそなえている。

比較的小さな通路が、・・ウジング内の圧力流体に対し
流体でつながる関係になるように両フランジ間で第１の
端部からシール本体を介して延伸する。

前記両フランジ間の流体圧力を制御するための可変逃し
口装置が設けられ、圧力流体によりシールに加えられる
力を制御する。

以下、添付図面に示す実施例について本発明を詳細に説
明する。

特に第１図を参照するに、同図には全体として参照符号
１０で指示されるターボ機械が示されている。

このターボ機械は、全体として参照符号１２により指示
されるシャフトステイフネス制御装置をそなえている。

ターボ機械１０は、シャフト２０を軸承するベアリング
１６及び１８を有する中空ハウジング１４を具備する。

シャフト２０上には、これと共に回転するロータ２２が
装着されている。

ロータ２２は１つだけしか示されていないが、ターボ機
械１０においてはかようなロータを複数個使用しうろこ
とは明らかである。

ハウジング１４は、ベアリング１６の比較的近傍に位置
する環状の半径方向に向いた面２４をそなえており、こ
れには反対側に配置されているが同一の環状の半径方向
の而２６がベアリング１８の近傍に設けられている。

半径方向面２４は、外側環状シール３０及び内側環状シ
ール３２を収容するキャビテイ２８の一部分を形成して
いる。

同様に、半径方向而２６も、外側環状シール３０と同一
の外側環状シール３６と、内側環状シール３２と同一の
内側環状シール３８とを収容するキャビテイ３４の一部
分を形威している。

シール３０，３２，３６及び３８は、ひきおこされる圧
力及び扱われる材料に応じてロータ区域から大気中へも
しくはその逆方向にプロセス流体が移動するのを防止す
るために設けられている。

シール３０及び３６は同一であるから、シール３０につ
いてのみ詳しく述べる。

シール３０は、シャフト２０を密に受入れるような大き
さをもった孔４０を有する。

シャフト２０に隣接するシール３０の孔４０は、バビッ
ト合金の如き適当なベアリング材料で裏張りされている
。

シール３０は一端部にて、軸方向に突出する離間した一
対の環状フランジ４２及び４４を有し、これらフランジ
は、ハウジング１４内で半径方向面２４に隣接するシー
ルの面に環状キャビテイ４６を定める。

比較的小さな通路４８は、シール３０の外周部からキャ
ピテイ４６内へ連通するようにシールを介して延伸する
。

シール３０上の第２の端面５０はキャビテイ２８内の流
体にさらされるものであることがわかる。

キャビテイ２８は、・・ウジング１４内に形成された通
路５４と、ハウジング１４からポンプ５２へ延伸する導
管５６とを介してポンプ５２と流体でつながる関係にあ
る。

同様に、シール３６が配置されたキャビテイ３４は、通
路５８及び導管６０を介してポンプ５２と流体でつなが
る関係にある。

ポンプ５２は、シール及びシャフト２００間にフイルム
シールを形成する目的でシールに圧力流体を放出するた
めに、しかもこの後で詳述されるようにシールに流体圧
力を印加するために設けられる。

シール３０内に形威されたキャビテイ４６は、ハウジン
グ１４を介して延伸する通路６４と、この通路に接続さ
れた導管６６とを経由して流体溜め６２と流体でつなが
る関係にある。

制御弁６８が導管６６に設けられ、これは、通路６４及
び導管６６（両者を併せて導管手段という）を通じて流
れる流体の量を制御するために調整できるようになって
いる。

同様に、半径方向面２６に隣接するシール３６における
キャビテイは、ハウジング１４内に形或された通路７０
と、導管７２（両者を併せて導管手段という）とを介し
て流体溜め６２と流体でつながる関係にある。

また、制御弁７４が導管１２に設げられ、シール３６の
キャビテイから流体溜め６２へ流れる流体の量を制御す
るようになっている。

好ましい実施例の動作 ポンプ５２は、ターボ機械１０がスタートするとき、キ
ャビテイ２８及び３４内へ潤滑用兼シール用の圧力流体
を加えはじめる。

シャフト２０が回転し、その速度が増加するにつれて、
シャフト２０は、シャフト２０の振動もしくは横方向運
動が生ずるあるクリテイ力ルな段階を通る。

これらの状況のほとんどは予期されうるものであり、弁
６８及び７４は、キャビティ２８からの圧力流体が通路
４８を介して且つ通路６４及び導管６６の外方に通過し
てシール３０における所望の差圧を生せしめるようにセ
ットされる。

圧力の差が適正な値になると、シール３０は、面２４に
向けてバイアスされ、シール３６は、面２６に向けてバ
イアスされる。

シール３０上のフランジ４２及び４４は半径方向面２４
に摩擦係合し、シール３６上のフランジは面２６に摩擦
係合し、それによりシャフト２０に対する追加のサポー
トを与え、シャフト２０の振動を軽減するようになって
いる。

ターボ機械１０の動作中には、「オイルホワール」の結
果として、あるいは設計規準内にない他のわずかな不均
衡の結果として振動が生ずることがある。

これが生ずるとき、弁６８及び７４は、シール３０及び
３６間に生ずる圧力の差を増大もしくは減少させるよう
に調整されうる。

シールがハウジング１４の隣接半径方向面に係合する力
の大きさは、変化され、有効にシャフト２０がステイフ
ネスを増す。

このようにして、これまでのところで詳述された制御装
置１２は、シール部材を利用する手段を提供するもので
ある。

これらのシール部材は、予期されたり予測されたりする
ことのないシャフトにおける横方向の力を補償するため
シャフトのステイフネスを変化できるようにシャフト２
０との間にはオイルフイルムシールを形成し且つハウジ
ングとの間には半径方向面にてシールを形或する。

前述したように、ターボ機械１０の動作中、有効ステイ
フネスは変化されうる。

第２図に示す変形例の説明 第２図に示す変形例は、ターボ機械１０を通るシール用
兼潤滑用流体の流れを制御するための流体系にのみ関す
るものである。

同図に示されるように、ポンプ５２、流体溜め６２及び
導管５６，６０の構成については第１図に関して前述さ
れたものと同様である。

改変した点は、シール３０のキャビテイ４６及びシール
３６のキャビテイから流体を戻すための導管６０及びγ
２の双方に共通した導管に制御弁６８を配置したことに
ある。

第２図に示される構成では、流体系が単一の制御弁６８
の操作によって双方のシール３０及び３６にわたり先に
述べたと同様な差圧を発生する。

また、第１図に関して詳述された構成におけると同様に
、ターボ機械１０の動作中にシール３０及び３６によっ
て加えられる圧力、従って力の変化を得ることができる
ことは勿論明らかである。

第３図及び第４図の変形例 第３及び第４図は、シール３０及び３６の代りにターボ
機械１０において使用しうる環状シールを拡大して示す
ものである。

このシールは全体として参照符号１３０によって指示さ
れる。

シール１３０は、第４図に一層はっきりと示されている
ようにバビット合金のような適当なベアリング材料で裏
張りされた孔１４０をそなえている。

シール１３０はまた、軸方向に突出する一対の環状フラ
ンジ１４２及び１４４をそなえ、これらフランジはター
ボ機械１０内におかれるとき、ハウジング１４の隣接半
径方向面との間でキャビテイすなわち環状凹部１４６を
形成する。

シール３０及び３６に比較した場合にシール１３０の第
１の改変した点は、シールを介してキャビテイ１４６へ
連通するような通路を設けたことにある。

シール１３０において、通路１４８は、第４図にはっき
りと示されるようにキャビテイ１４６からシール１３０
の第２のすなわち反対側の端部へ延伸する。

通路１４．８を設けたので、シールの外周部が例えばキ
ャビテイ２８内でハウジング１４に極めぞ密接した関係
におかれるというような起りにくい場合において、少な
くとも通路１４８の容量までは流体が自由にシール１３
０を介して流通することができるようになる。

シール１３０には、位置決めピン１８０も例示されてい
る。

ピン１８００目的は、ターボ機械１０内に設置されたと
きシール１３００回転を防止することにある。

第１図には示されなかったが、シール３０及び３６もも
しそうするのが望まれるのであれば同様な位置決めピン
をそなえることができる。

第３及び第４図を第１図に比較すると、シャフトステイ
フネス制御装置の動作はシール１３０が使われるがシー
ル３０及び３６が使われるかによって異なるものでない
ことが明らかである。

例示されないけれども、前述のステイフネス制御装置を
、端部装着式もしくはカンチレバ一式のロータをもつタ
ーボ機械に適用することは、本発明の構想の範囲内にあ
ることである。

かかる機械では、第１図に示すように、シールはベアリ
ングの内方ではな《外方に配置されるのがしばしばであ
る。

かような機械とともに制御装置を用いるときでも、制御
装置はこれまで述べてきた通りのものでよい。

尤も、シールの正確な位置は若干変ることになるが、制
御装置全体としての構成及び作用効果は変わらない。

以上に詳述された装置は、単なる例示としてのみ提示さ
れたものであるから、本発明の精伸及び範囲を逸脱する
ことなくそれに関しては修正及び変更が加えられうろこ
とは明らかであろう。

排他的な所有権もしくは特権が請求される本発明の実施
態様は特許請求や範囲に定義されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にしたがって構成されたシャフトステ
イフネス制御装置をそなえたターボ機械を示す部分断面
系統図、第２図は、シャフトステイフネス制御装置に関
連した流体系の改変形態を例示する系統図、第３図は、
本発明にしたがって構或された改変型シールの面を例示
する拡大端面図、第４図は、第３図の線４−４に沿って
全体的にとられた第３図のシールの断面図である。 １０・・・・・・ターボ機械、１２・・・・・・シャフ
トステイフネス制御装置、１４・・・・・・ノ・ウジン
グ、１６，１８・・・・・・ベアリング、２０・・・・
・・シャフト、２２・・・・・・ロータ、２４ ，２６
・・・・・・半径方向面、２８，３４・・・・・・キャ
ビティ、３０，３６・・・・−・外側環状シール、３２
，３８・・・・・・内外環状シール、４２，４４，１
４２，１４４・・・・・・７ランジ、４６，１４６・・
”・゜゜キャビテイ、４８ ，１ ４８・・・・・・通
路、５４ ，５８ ，６４ ，７０・・・・・・通路、
５６ ， ６０ ，６６ ，７２・・・・・・導管、６
２・・・・・・流体溜め、６８，７４・・・・・・制御
弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少な《とも１つの半径方向配置面を有する中空ハウ
   ジングと、この・・ウジングを介して延伸するロータシ
   ャフトと、このシャフトを回転自在に支持するため前記
   ・・ウジング内に離間配置された一対のベアリングと、
   潤滑及びシールのための加圧流体を発生する圧力流体装
   置とをそなえるサーボ機械等のためのシャフトスティフ
   ネス制御装置において、 第１及び第２の端部を有するシール本体、前記シャフト
   を回転可能に且つシール可能に受入れるために前記両端
   部間を貫通して延伸する孔、前記半径方向配置面にシー
   ル可能に且つ摩擦可能に係合するために離間して且つ軸
   方向に突出して前記第１端部に設けられた一対の環状フ
   ランジ、及び前記・゛ウジング内の圧力流体に対して流
   体でつながる関係になるように前記両フランジ間で前記
   第■端部を介して延伸する比較的小さな通路を有し、前
   記第２端部には前記・・ウジング内で前記圧力流体を接
   触させるようになっている環状シールであって前記ハウ
   ジング内に配置されるものと、逃し口手段であって、 （１）前記の軸方向フランジの間の、前記半径方向配置
   面を通って伸長し、前記の通路より大きい通流断面積を
   有する導管手段と、 （１１）前記の導管手段中にあって該導管手段中の流れ
   を調節し、前記の両フランジ間間の圧力を制御して前記
   のシール本体を横断して存在する圧力差を選択的に変え
   るようにする弁手段。 とを有する逃し口手段と を設げたこと奪特徴とするシャフトステイフネス制御装
   置。