JPS6182075A - 軸シ−ル装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は軸シール装置に係り、特に固定系たる軸シール
エレメントに可撓性をもたせてシール礪能を向上させた
非接触型の軸シール装置に関する。

（従来の技術］ 従来の円筒型軸シール装置は、第１７図に示す如く、回
転軸１に平行なシールリング２の平面で回転軸１との間
にシールすき間Ｃを形成しつつ、垂直な平面をケーシン
グ３の平面に圧接させ、この接触圧力によって回転部分
の密封を行なう緩衝機構を有する構成となっている。ま
た、端面型軸シール装置は、第１８図に示す如く、回転
軸ランナ４に平行なシールリング５の平面でランナ４と
の間にシールすき間を形成して回転部分の密封を行なう
緩衝別構を有する構成となっている。したがって従来か
ら実施されている軸シール装置は、いずれにあっても回
転系、固定系ともに剛体面で構成されている。

［発明が解決しようとする問題点１ ところが、上述した従来のものでは軸シールが回転系、
固定系ともに剛体面で構成されているので、次のような
問題があった。

（１）　　円筒型シールの場合、高速回転すると軸受流
体のＵん断熱および軸１の遠心膨張により、シールすき
間Ｃが小さくなる傾向にあるが、著しいときにはＣ＝０
となり焼付きに至る。

また、固定系たるシールリング２は層動性を良好にする
ため、カーボングラファイト等がしばしば使用されるが
、線膨張係数が小さいためすき間の管理が困難となる。

（２Ｊ＠面型シールの場合、第１８図で二点鎖線で示す
如く、シール面間の流体のせん断熱による変形が生じ、
この変形により合せ持つ軸受機能が低下し、接触のトラ
ブルが発生する。

（３）　　また、いずれの場合も径方向又は軸方向に十
分なばね性がないため自動調心性が劣る。

このように、従来のものではシール面が共に剛だから、
高速・高温時におけるシールすき間を安定にせまく保持
することが困難であった。

［発明の目的］ 本発明の目的は、シール面の固定系にばね性と減衰性と
をもたせて高速・高温の条件下でもシールすき間を安定
にせまく保持することを可能とする軸シール装置を得よ
うとするものである。

［発明の概要］ 上記目的に沿う本発明の構成は、回転軸に臨んでこれと
の間に流体膜圧を発生してシールすき間を形成する弾性
のシールフォイルを設け、次いでこのシールフォイルの
回転軸と反対側にシールフォイルを制振する弾性のダン
プフォイルを重ね、更にこのダンプフォイルにこれを固
定系支承面に弾性支持する弾性のスプリングフォイルを
重ねた弾性フォイル積層構造を有したものである。これ
により、弾性フォイル板厚方向のバネ性、減衰性が回転
軸の周方向に分布して作用するようにし、高速・高温時
にシールすき間が無くなったり、焼付きが生じないよう
にしたものである。

また、上述したシールフォイルとダンプフォイルとスプ
リングフォイルとを連続して一体形成して、この一体形
成した一枚の弾性フォイルを回転軸と固定系支承面との
間に巻回しで組込んだ弾性フォイル積層構造を有したも
のである。これにより、フォイルの積層構造を得るため
に、個別のフォイルを重ねるのではなく、１枚の弾性フ
ォイルを巻回するだけで積層できるようにし、シールエ
レメントに弾性体を使用することにより部品点数が増大
したり、組立作業が煩雑になったりしないようにしたも
のである。

［実施例］ 本発明の実施例を第１図〜第１６図に基づいて説明ずれ
ば以下の通りである。

第１図〜第４図はガス、蒸気、油等をプロセス流体とす
る非接触型の軸シール構造のうちの軸受機能を合わせ持
つ円筒型シール構造の実施例を示す。第１図に示す如く
、本実施例に係るシール構造は、固定系たるケース７の
支承面８上に、順にスペーサって浮かされたスプリング
フォイル１０゜同じくスペーサ９で浮かされたダンプフ
ォイル１１、そして密接されたシールフォイル１２の基
本的に３枚の可撓性を有する薄板（弾性フォイル）を積
層するとともに、一端をキー１３で係止固定してなり、
内殻のシールフォイル１２と回転軸１４とのシールすき
間Ｃに形成される流体膜圧のばね・減衰機能と、積層フ
ォイル構成によるばね・減衰機能との双方の機能によっ
て回転部分のシールを行なうようになっている。

各弾性フォイルはスペーサ９も含めて第２図に示す如き
フィルム形状をした別体構造で、ケース７内に挿入され
てリング状に支承面８を覆うようになっている。すなわ
ち、スプリングフォイル１０は上下面ともフラットな弾
性フォイルから成り、これを支承面８から部分的に浮か
すスペーサ９の機能はラダーフォイル１５が果している
。ラダーフォイル１５は弾性フォイルの幅方向に両端部
分１６．１６を残して穿設した長さＬｏの矩形状窓部１
７を長さ方向に並設したもので、矩形状窓部１７，１７
間の竪格子がスプリングフォイル１０のスペーサ９とな
る。

ダンプフォイル１１は下面がフラットであるけれども上
面に流体が局所的に満たされ１８る形状任意なポケット
１８が約板厚の半分の深さで良さ方向に所定間隔を隔て
て加工しである。図示例では、ポケット１８は十字形を
している。ダンプフォイル１１をスプリングフォイル１
０から部分的に浮かすスペーサ９の機能は、スプリング
フォイル１０の場合に使用したと同一形状のラダーフォ
イル１５が果す。２つのラダーフォイル１５．１５の差
異は、特に第１図かられかるように、ケース７内への挿
入組立時にスペーサ９のピッチを部分の−ずらして取り
付ける点、すなわち、スプリングフォイル１０を支承す
るスペーサ９，９間にダンプフォイル１１のスペーサ９
が来るようにずらして積層する点にある。このように竪
格子たるスペーサ９，９をずらした２枚のラダーフォイ
ル１５．１５間にスプリングフォイル１０を介在させる
ようにしたのは、スプリングフォイル１０に波状変形性
を与えてばね機能を持たせるためである。このばね機能
を有する領域は、フォイル全幅りではなく、両端部分１
６．１７を除く矩形状窓部１７の長さＬＯ／の部分であ
る。両端部分１６゜１７の長さＬ−Ｌｏ’の部分は、ば
ね性はなく、フォイル間は密着し、気密を保つ機能を有
する。

シールフォイル１２は下面がフラットであるけれども上
面がしｏ（＜Ｌｏ）のシールｍ域を有する断面凸形状を
している。そして、凸部たるシール領域面は、本シール
が非接触型のクリアランスシールであることから、摺動
性、耐摩耗性を考慮した表面処理を適宜施しである。図
示例ではシールフォイル１２がブレーン型であるが、こ
の形状は任意であり、スパイラルグループ、ヘリングボ
ーン、ポケット型等いずれでもよい。また、その中央で
長さ方向に所定間隔を隔てて複数個のオリフィス１９が
設けてあり、このオリフィス１つの真下に恰度ダンプフ
ォイル１１のボケッ゛ト１８が来るようにシールフォイ
ル１２をダンプフォイル１１上に重ねる。このようにオ
リフィス１９をポケット１８に連通ずるように重ねたの
は、シール領域で形成される流体膜圧をオリフィス１９
を通してポケット１８に解放することによりダンプフォ
イル１１上面とシールフォイル１２下面間に局所的に流
体膜を形成させてスクイズ膜ダンパ機能をダンプフォイ
ル１１に与えるためである。ポケット１８に流体膜圧が
作用したときダンプフォイル１１の径方向外方への弾性
変形が許容されるように、オリフィス１９．ポケット１
８位置はダンプフォイル１１を支承するスペーサ９，９
間にもってくる。また、隣り合うオリフィス１９．ポケ
ット１８の間隔は、第１図の図示例ではスペーサ間ピッ
チの２倍となるようにしである。

このようにしてフォイルエレメントは、シールすき間Ｃ
が形成する流体膜圧のばね・減衰要素以外に、フォイル
間で形成するばね・減衰要素が支承部８の周方向に分布
して配置されることになる。

なお、フォイルエレメントの窓部１７．ポケット１８．
オリフィス１つ、凸部等は公知のフォトエツチング技術
等で加工成形する。

第３図及び第４図は、ケース７内に挿入すべく円筒形に
−巻きしたフォイルエレメントの合せ部を示すもので、
合せ端部の一方に凸部２０を形成し、他方にこの凸部２
０と係合する凹部２）を形成し、これらを嵌め合せるよ
うにしたもので、これによりフォイルエレメント間のシ
ール性を保持するようになっている。

このようにして構成されたケース７とフォイルエレメン
トから成るフォイル軸シールエレメント２２を実際に軸
シール装置に適用したのが第５図・〜第７図である。第
５図は緩衝機構を有するフローティングリング形式を、
第７図は固定リング型をそれぞれ示している。

さて、上記のような構成において、回転１１４の高速回
転が始まったり、雰囲気温度が高温になったりすると、
流体のせん断熱や回転軸の膨張によりシールすき間Ｃが
小さくなるので、第１図において、シールすき間Ｃに発
生する流体膜圧が一段と高くなり、この流体膜圧によっ
てシールフォイル１２が径方向外方へ押される。したが
って、ラダーフォイル１５のスペーサ９により弾性変形
が許容されるように支承面８上に積層して支持されたス
プリングフォイル１０とダンプフォイル１１のうちのス
プリングフォイル１０が波状に弾性変形する。また、高
速回転に伴う回転軸１４の自励振動によりシールすき間
Ｃに発生する昇圧流体膜圧の一部は、シールフォイル１
２に穿設したオリフィス１９を通ってダンプフォイル１
１の上面に形成したポケット１８に導かれる。このダン
プフォイル１１上面のポケット１８に導かれた流体膜圧
は、流路面積がオリフィス１つよりもポケット１８の方
が大きくなっているので、シールすき間Ｃに形成されて
いる高圧の流体膜圧を低下させることなく十分大きなも
のとすることができ、そのため可撓性を有するダンプフ
ォイル１１は局所的に径方向外方へ変位し、変位した部
分に流体が局所的に満たされることになる。

ところで、軸シール装置を高速・高温で安定に作動させ
るためには、流体膜圧によるばね・減衰要素以外に外部
の適切なばね・減衰要素がシール面に沿って配置されて
いることが必要である。

ところが、本実施例ではその外部の適切なばね・減衰機
能を、積層した５枚のフォイル構造により構成している
。すなわち、ばね要素として、シールすき間Ｃに発生す
る流体膜圧の作用によってスプリングフォイル１０が支
承面８の周方向に沿って波状変形するので、周方向にば
ねが分布し゛Ｃ配置されることになる。また、外部減衰
要素としてシールすき間Ｃに発生する昇圧流体膜圧の作
用によってダンプフォイル１１が局所的に変位し流体が
周方向に沿って局所的に満たされるので、この満たされ
た部分がスクイズ膜ダンパとして機能し、この機能が周
方向に分布して配置されることになる。したがって、本
実施例による軸シール構造によれば高速で発生ずる外乱
や自励振動を効果的に吸収あるいは制止するとともに、
高速・高温下で小さくなろうとする傾向にあるシールす
き間Ｃをゼロとすることなく、安定に且つ極めて小さく
保持することができる。

また、シールフォイル１２とダンプフォイル１１との面
間はその大部分が密着しており、ダンプフォイル１１及
びスプリングフォイル１０どラダーフォイル１５，１５
．の両端部分１６．１７との間も密着し、更にフォイル
エレメントの合せ端部も嵌め合せて隙間を小さくするよ
うにしであるので、密封性の向上をはかることができる
。

また、もともと自動調心作用があるフローティング型軸
シール装置は勿論のこと、固定式の軸シール装置にあっ
ても、シールエレメントかばね・減衰性を有するフォイ
ル積層構造を採用しているため、この構造自身で自動調
心性が付与されることとなり、回転軸１４の接触を有効
に回避することができる。

すなわら、本実施例によれば回転軸１４の熱・遠心力に
よる変形・膨張に対応して機能する能ノコは、従来の剛
体シール装置のそれをはるかにしのぐという特長がある
。このため、高速回転するターボ義械一般、特に高温ま
たは低温の流体をプロセス流体とするターボ圧縮機、タ
ーボ膨張機、ターボチャージャー、ターボ冷凍機等に適
用してメリットが大きい。

第８図は第１図の実施例の変形例を示すもので、第１図
と異なる点は、スプリングフォイル３０゜ダンプフォイ
ル３１．シールフォイル３２を連続して一体加工し、こ
れをケース３３の支承面３４上に三重巻きしてスプリン
グフォイル３０の端部に設けたキー３５によってケース
３３に係止固定した点である。一体加工した弾性フォイ
ル３６は、第９図に示す如く、左からスプリングフォイ
ル部Ｓ、ダンプフォイル部り、シールフォイル部Ｅの順
に連続している。スプリングフォイル部Ｓとダンプフォ
イル部りとに形成される矩形状凹部３７゜３７は、既述
のラダーフォイル１−５の場合の如き穴の開いた窓では
なく、底部厚みｔｌを残した凹部である。矩形状凹部３
７はピッチｂで長さ方向に複数個形成されているが、ス
プリングフォイル部Ｓとダンプフォイル部りとの境界部
は特に　１，５ｂのピッチで大きく形成しである。この
ように形成すれば、三重巻きにしてケース３３内に組ん
だとき、スプリングフォイル部Ｓのスペーサ３８゜３８
間にダンプフォイル部りのスペーサ３８が位置するよう
になって、ばねを周方向に分布して配置することができ
る。したがって、スプリングフォイル部Ｓとダンプフォ
イル部りとに表裏を目通しない矩形状四部３７を設ける
ことによって、別体フォイルのとき必要としたラダーフ
ォイル１５が不要となり、スプリングフォイル３０及び
ダンプフォイル３１自身がスペーサ３８を有することに
なる。一方、シールフォイル部Ｅの凸部に形成されるオ
リフィス３つはこれと連通ずるポケット４０をシールフ
ォイル部Ｅに一体的に有している。

したがって、シールフォイル３２が重なるダンプフォイ
ル３１表面に別個にポケット４０を形成する必要がない
。

このように本変形例では５枚も必要としていたフォイル
をたった１枚のフォイルでシールエレメントを構成でき
て、部品点数が少なく軸シール構造の成形・組立・加工
が更に容易になり、低コスト化がはかれるという利点が
得られる。

次に、本発明を非接触型端面シール装置に適用した実施
例について説明する。

第１０図に示す如く端面型シール構造の構成原理は円筒
型シール構造と基本的に同様で、中央に軸孔を有するス
プリングフォイル４２．これとほぼ同一形状のダンプフ
ォイル４３．シールフォイル４４の３枚の円板状弾性フ
ォイルから成り、ダンプフォイル４３とスプリングフォ
イル４２とはその下面に放射状に並んだ複数個の扇形状
凹部４５を有している。第１１図に示す如く扇形状四部
４５は円板上フォイルの外周側に気密を保つとともに複
数の取付は孔４６を設けるための取付はリング４７を残
すために外周側で閉塞し、また内周側に大きな弾性変形
を許容させるために内周側で開放している。スプリング
フォイル４２とダンプフォイル４３との違いは、取付孔
４６の周方向位置に対する、周方向に複数個等配されて
いる扇形状四部４５の加工位置に差があることである。

すなわち、第１０図に示す如く、扇形状凹部４５のピッ
チ角θの１７２だけ互いにずらして加工してあり、これ
によりフォイル板厚方向のばね性を周方向に分配して有
するようになっている。一方、シールフォイル４４は上
面に複数本のスパイラルグループ４８を刻設した場合を
例示してあり、スパイラルグループ４８の外周側には複
数個の取付孔４６を穿設した取付リング４７が、内周側
にはシール性能を大きく支配するランド部４つが形成さ
れている。スパイラルグループ４８は第１２図に示す如
くフォイル厚さの部分の−ぐらいの深さでランナの回転
方向を示す矢印方向に漸次幅狭となっている。

第１３図は、かかる３枚のフォイルエレメントを取り付
けた非接触型端面シール装置の実施例を示している。フ
ォイルエレメントの取付リング４７．４７．４７部分を
重ねて取付板５０に置き、取付孔４６を合せて締付板５
１を重ね、取付ボルト５２で締め込むことにより、３枚
のフォイルエレメント間の径方向の密封性を高めている
。フォイルエレメントを締め込んだランナ５６側と反対
側の取付板５０の一端には、ホルダ５３に連結した気密
性のあるベローズ等の弾性部材５４が接合され、ホルダ
５３間との気密を保ちつつフォイル軸シールエレメント
５５を弾性支持している。

既述の円筒型シール装置は真円のブレーン軸受として機
能させ、狭いシールすき間Ｃを安定に保持させてシール
機能を発揮させるものであるが、スパイラルグループ型
端面シール装置は特にグループ４８の昇圧作用により軸
受機能とシール機能を発揮させるものである。すなわち
、端面型シール構造は、第１０図に示す如くポンプ・イ
ン型のスパイラルグループ４８をシールフォイル４４上
面に加工し、第１３図に示すように、低圧側（外周側Ｐ
２　＞の流体を高圧側（内周側Ｐ＋　）へ向けてポンプ
・インさせるように設計しである。したがって、スパイ
ラルグループ４８は、軸受機能とともに、低圧側流体Ｐ
２をグループエンドまで昇圧させて、高圧流体Ｐ１の外
方流出を妨げる作用を果たし、もってシール性能を高め
る機能を発揮する。なお、シール性能はシールフォイル
４４のランド部４９のシールすき間Ｃの大小に依存する
ところ大であり、このランド部４９のシールすき間Ｃを
いかに安定に小さく保持できるかが全体のシール性能を
支配する。

ところで、非接触型端面シール構造の設計上、圧力バラ
ンスは重要である。第１４図に示す如く、シールフォイ
ル４４上面に作用するＰ２〜Ｐ′〜Ｐ１の積分値と、取
付板５０に作用するＰ２．Ｐ。

および弾性部材５４等のオフセラ１−力Ｆｏの総和が定
常状態で等しくなるように圧力バランスを定める。ここ
でＰ′はスパイラルグループ４８のグループエンド部で
発生する圧力であり、Ｐ２．Ｐ。

は、回転数および作動すき間の関数である。

また、スパイラルグループ型ではポンプ・アウト型も考
えられる。これはグループを内周側に設はランド部を外
周側に設けた構造であり、第１５図に示すような圧力バ
ランスとなる。すなわち、グループのボンピング機能は
、Ｐ２の低圧側流体を外方に昇圧させ軸受閤能をもたさ
せるとともに、Ｐｌの高圧側流体が内周側へ流入するの
を制限する効果がある。以上のようなシール機能は通常
の剛体面シールにおいても同様な作用があるので、フォ
イル構造の特性ではない。

特にフォイル構造の端面シールが剛体面シールに比して
優れた機能を発揮するのは高速領域においてである。す
なわち、非接触型端面シールは非常に狭い作動すき間で
運転されることになるので、高速領域では流体のせん断
熱による面内発熱が生じ、シール面が熱変形して平面度
が低下する。ところが、本発明によるフォイル構造の非
接触端面シールは、上述の熱変形に対応できる機能を有
する。第１６図に示す如く、ランナ５６が変形しても扇
形状凹部４５を有するスプリングフォイル４２及びダン
プフォイル４３でバックアップされるシール面は可撓性
を有するので、ランナ５６の変形に対応した変位を呈す
ることができ、非接触性を保持することができる。その
結果、シール面の熱変形に起因する高速シールの使用限
界の低下防止をはかることができ、この種トラブルの原
因を解消できる。また、フォイルエレメントの可撓性の
効果は、熱変形のみならず遠心変形、異物侵入等に対す
る許容度の向上にも及び、実用性を格段と拡張すること
ができる。

［発明の効果Ｊ 以上型するに本発明によれば次のような優れた効果を発
揮する。

（１）　　シールフォイル、ダンプフォイル及びスプリ
ングフォイルから成る弾性フォイル積層構造を有するた
め、高速・高温時に発生する流体のせん断熱や熱・遠心
膨張によってシール面間が変形しても、弾性フォイルの
ばね性や減衰性によりシールすき間がゼロとなったり、
接触したりすることがないから、焼付きや抱着き等のト
ラブルが生ぜず、したがって安定に小すき間を保持する
ことができる。

（２）シかも、弾性フォイルのばね性と減衰性により大
きな自動調心作用が得られるので、組立が容易となる。

（３）　　また、シールフォイルとダンプフォイルとス
プリングフォイルとを別体でなく連続して一体成形した
ため部品点数が少なく、低コスト化をはかることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適一実施例を示す要部正断面図、第
２図は第１図におけるフォイルエレメントの展開斜視図
、第３図はスプリングフォイル、ダンプフォイル又はシ
ールフォイルの合せ端部の嵌合状態を説明する斜視図、
第４図はラダーフォイルの合せ端部の嵌合状態を説明す
る斜視図、第５図はフォイル軸シールエレメントを組込
んだフローティングリング型軸シール装置の側断面図、
第６図は第５図のフォイル１袖シールエレメントの正断
面図、第７図はフォイル軸シールエレメントを組込んだ
固定リング型軸シール装置の側断面図、第８図は第１−
図の変形例を示す正断面図、第９図は第８図におけるフ
ォイルエレメントの展開図、第１０図は本発明の他の実
施例を示すフォイルエレメントの分解平面図、第１１図
は第１０図におけるスプリングフォイル又はダンプフォ
イルの要部斜視図、第１２図は同シールフォイルの要部
斜視図、第１３図は第１０図のフォイルエレメントを組
込んだ端面シール装置の側断面図、第１４図はスパイラ
ルグループ型端面シールのポンプ・イン型圧カバランス
の状態図、第１５図は同じくポンプ・アウト型圧カバラ
ンスの状態図、第１６図は第１３図におけるランナが変
形した場合のフォイルエレメントの対応を示した断面図
、第１７図は従来の円筒型シールの概略構成図、第１８
図は同じく端面型シールの概略構成図である。 図中、８は固定系支承面、１０はスプリングフォイル、
１１はダンプフォイル、１２はシールフォイル、１４は
回転軸、３０はスプリングフォイル、３１はダンプフォ
イル、３２はシールフォイル、３４は固定系支承面、３
６は連続して一体となった弾性フォイル、４２はスプリ
ングフォイル、４３はダンプフォイル、４４はシールフ
ォイル、５６は軸ランナである。 特　許　出　願　人　　石川島播磨重工業株式会社代理
人弁理士　絹　　谷　　信　　雄 第１図 第２図 第３図　　　第４図 第５図 第８図 ４２　・ズ７゛ソ二り７フイ」し ４４・・・シーＩし７ｆイ１し 第１３図 第１６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸と固定系支承面との間に、流体膜圧を発生
   してシールすき間を形成するシールフォイルと、該シー
   ルフォイルを制振するダンプフォイルと、該ダンプフォ
   イルを上記固定系支承面に弾性支持するスプリングフォ
   イルとから成る弾性フォイル積層構造を有することを特
   徴とする軸シール装置。
2. （２）液体膜圧を発生して回転軸との間にシールすき間
   を形成するシールフォイルと、該シールフォイルを制振
   するダンプフォイルと、該ダンプフォイルを固定系支承
   面に弾性支持するスプリングフォイルとが連続して一体
   となった弾性フォイルを形成し、この弾性フォイルを上
   記回転軸に巻き付けるごとく回転軸と固定系支承面との
   間に積層してなる弾性フォイル積層構造を有することを
   特徴とする軸シール装置。