JPWO2017010146A1 - Non-contact annular seal and rotating machine equipped with the same - Google Patents
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Abstract
ポンピング効果を大きくするためにリード角を大きくした際に伴う漏れ量を低減する非接触環状シール及びこれを備えた回転機械を提供する。非接触環状シールは、回転体と固定体との隙間を高圧側から低圧側に流れる流体をシールするための非接触環状シールであって、隙間を形成する回転体の表面又は固定体の表面に設けられるネジ溝を有する。ネジ溝は、低圧側のネジ溝の断面積が高圧側のネジ溝の断面積よりも小さい領域を有する。前記ネジ溝の条数は、4条以上である。回転機械は、この非接触環状シールを有する。Provided are a non-contact annular seal that reduces the amount of leakage caused when a lead angle is increased in order to increase the pumping effect, and a rotary machine including the same. The non-contact annular seal is a non-contact annular seal for sealing a fluid flowing from the high pressure side to the low pressure side through the gap between the rotating body and the stationary body, and is provided on the surface of the rotating body or the surface of the stationary body forming the gap. A thread groove is provided. The screw groove has a region where the cross-sectional area of the low-pressure side screw groove is smaller than the cross-sectional area of the high-pressure side screw groove. The number of the thread grooves is 4 or more. The rotating machine has this non-contact annular seal.
Description
本発明は、非接触環状シール及びこれを備える回転機械に係り、特に、水や油などの液体、換言すれば非圧縮性流体を扱う回転機械における、羽根車等とケーシングとの間の流体の漏洩量を低減し且つ振動を少なくし、安定した軸封特性を発揮する非接触環状シール、及びこれを備える回転機械に関する。 The present invention relates to a non-contact annular seal and a rotary machine including the same, and in particular, a fluid between an impeller and a casing in a rotary machine that handles a liquid such as water or oil, in other words, an incompressible fluid. The present invention relates to a non-contact annular seal that reduces the amount of leakage, reduces vibration, and exhibits stable shaft sealing characteristics, and a rotary machine including the same.
液体を移送する回転機械(例えば、ポンプ等。以下、「ポンプ」という)は、発電、化学プロセス、下水道、上水道等を目的とするプラント又は設備に幅広く使用されている。ポンプは、ケーシングと、羽根車を装着した回転軸とを有する。回転軸は、ケーシング内部に配置され、軸受により回転可能に支持される。ケーシングの吸込口から吸い込まれた液体は、羽根車の回転により昇圧され、ケーシングの吐出口から吐出される。即ち、ポンプ内部の流路においては、高圧の領域と低圧の領域とが形成され、高圧領域から低圧領域へと流体が流れる。ここで、ケーシング(固定部)と回転軸(回転部)との僅かな隙間において、高圧の領域からこの隙間を介して低圧の領域へと流体が移動(漏洩)すると、ポンプ効率が低下する。このため、ケーシングと回転軸との隙間は非接触環状シールによりシールされる。これにより、昇圧された液体が低圧側へ漏洩することが抑制される。 A rotating machine (for example, a pump or the like, hereinafter referred to as a “pump”) for transferring a liquid is widely used in plants or facilities for power generation, chemical processes, sewerage, waterworks, and the like. The pump has a casing and a rotating shaft on which an impeller is mounted. A rotating shaft is arrange | positioned inside a casing and is rotatably supported by a bearing. The liquid sucked from the suction port of the casing is pressurized by the rotation of the impeller and discharged from the discharge port of the casing. That is, in the flow path inside the pump, a high pressure region and a low pressure region are formed, and fluid flows from the high pressure region to the low pressure region. Here, in a slight gap between the casing (fixed portion) and the rotating shaft (rotating portion), if the fluid moves (leaks) from the high pressure region to the low pressure region through this gap, the pump efficiency decreases. For this reason, the clearance gap between a casing and a rotating shaft is sealed by the non-contact annular seal. Thereby, it is suppressed that the pressurized liquid leaks to the low pressure side.
例えば、図1に示す典型的な多段遠心ポンプ(JISハンドブック ポンプ 第1版 第74頁から引用)では、非接触環状シールは、図中丸で囲まれた部位に用いられる。即ち、羽根車の入口部、前段の羽根車と後段の羽根車との間、最後段の羽根車出口部と低圧側との間等に用いられる。特に、羽根車出口部と低圧側との間は差圧が大きく、流体の漏洩が大きいので、この部分における流体の漏洩はポンプ性能に与える影響が大きい。このため、流体の漏洩量を減らすことができる様々な構造の非接触環状シールが知られている。 For example, in the typical multi-stage centrifugal pump shown in FIG. 1 (cited from JIS handbook pump 1st edition, page 74), a non-contact annular seal is used in a portion surrounded by a circle in the figure. That is, it is used between the inlet part of the impeller, between the front stage impeller and the rear stage impeller, between the last stage impeller outlet part and the low pressure side, and the like. In particular, since the differential pressure is large between the impeller outlet and the low pressure side, and fluid leakage is large, the fluid leakage at this portion has a great influence on the pump performance. For this reason, non-contact annular seals of various structures that can reduce the amount of fluid leakage are known.
最も基本的な非接触環状シールとしては、平滑シールが知られている。平滑シールは、平滑な面を有する円筒を二重に配置して形成されたシールである。平滑シールのような非接触環状シールの漏れ量を低減するためには、非接触環状シールの回転側と静止側の径方向の隙間を小さくすることが効果的である。しかしながら、回転軸の振動やたわみ等の実用上の問題から、径方向の隙間を極端に小さくすることはできない。このため、径方向の隙間を小さくすることなく漏れ量を低減する非接触環状シールが必要とされる。このような非接触環状シールとして、平行溝シール、ダンパーシール、ネジ溝シール等が知られている。以下、従来の非接触環状シールの例を説明する。 A smooth seal is known as the most basic non-contact annular seal. The smooth seal is a seal formed by arranging double cylinders having smooth surfaces. In order to reduce the leakage amount of a non-contact annular seal such as a smooth seal, it is effective to reduce the radial gap between the rotating side and the stationary side of the non-contact annular seal. However, due to practical problems such as vibration and deflection of the rotating shaft, the radial gap cannot be made extremely small. For this reason, a non-contact annular seal that reduces the leakage amount without reducing the radial gap is required. As such a non-contact annular seal, a parallel groove seal, a damper seal, a thread groove seal and the like are known. Hereinafter, an example of a conventional non-contact annular seal will be described.
図14は、従来の平行溝シールの部分断面図である。図14においては、固定体131を断面図で示し、回転軸121を側面図で示している。平行溝シール111は、外周面が平滑な回転体である回転軸121と、回転軸121と対向する面に同心円状の溝141が複数設けられた固定体131とを有する。この平行溝シール111は、回転軸121と固定体131との隙間を流れる流体が溝141を通過する際に発生する渦によるエネルギー損失や、流路の急拡大及び急縮小により発生する圧力損失等により、流体の漏洩量(移動量)を低減することができる。
FIG. 14 is a partial cross-sectional view of a conventional parallel groove seal. In FIG. 14, the
図15及び図16は、従来のダンパーシールの部分断面図である。図15はダンパー構造としてハニカムパターンを採用したダンパーシールを示す。図15においては、固定体132を断面図で示し、回転軸122を側面図で示している。ダンパーシール112は、外周面が平滑な回転体である回転軸122と、回転軸122と対向する面に複数の凹部142が設けられた固定体132とを有する。図示の例では、凹部142として六角形状のハニカムパターンが用いられている。このダンパーシール112は、回転軸122と固定体132との隙間を流れる流体が凹部142を流れる際に発生する流体の圧力損失により、流体の漏洩量を低減することができる。
15 and 16 are partial cross-sectional views of a conventional damper seal. FIG. 15 shows a damper seal that employs a honeycomb pattern as a damper structure. In FIG. 15, the
図16はダンパー構造としてホールパターンを採用したダンパーシールを示す。図16においては、固定体133を断面図で示し、回転軸123を側面図で示している。このダンパーシール113は、外周面が平滑な回転体である回転軸123と、回転軸123と対向する面に複数の凹部143が設けられた固定体133とを有する。図示の例では、凹部143として円形凹状のホールパターンが用いられている。このダンパーシール113は、回転軸123と固定体133との隙間を流れる流体が凹部143を流れる際に発生する流体の圧力損失により、流体の漏洩量を低減することができる。
FIG. 16 shows a damper seal that employs a hole pattern as the damper structure. In FIG. 16, the
図17は、従来のネジ溝シールの部分断面図である。図17においては、固定体134を断面図で示し、回転軸124を側面図で示している。ネジ溝シール114は、内周面が平滑な円筒状の固定体134と、固定体134と対向する面にネジ溝144が形成された回転軸124とを有する。ネジ溝シール114は、回転軸124が回転すると、回転方向に応じてポンピング効果により流体を高圧側に押し戻し、漏洩量を大きく低減させることができる。このネジ溝シール114は、ポンピング効果によって流体を高圧側に押し戻すことができるので、水などの液体である非圧縮性流体をシールする場合に、流体の漏れを特に低減することができる。
FIG. 17 is a partial cross-sectional view of a conventional thread groove seal. In FIG. 17, the
ネジ溝シール114の上記ポンピング効果は、ネジ溝144のリード角θの大きさに影響を受ける。即ち、リード角θが小さければポンピング効果は小さく、リード角θが大きければポンピング効果は大きい。しかしながら、所定の直径の回転軸124、所定の内径の固定体134、及び所定の溝ピッチを有するネジ溝シール114において、リード角θを大きくするためには、ネジ溝の条数を増加させる必要がある。
The pumping effect of the
図18と図19はそれぞれ、1条ネジと4条ネジを展開した模式図である。軸方向のネジ溝の数は8本であり、軸方向の溝間隔(ピッチ)はδである。軸径をD1とすれば、展開した横方向の長さはD1×πであり、縦方向の長さは任意の長さLである。したがって、展開された部分は略長方形になる。 FIG. 18 and FIG. 19 are schematic views in which a single thread and a four thread are developed, respectively. The number of screw grooves in the axial direction is eight, and the groove interval (pitch) in the axial direction is δ. When the shaft diameter is D1, the developed lateral length is D1 × π, and the longitudinal length is an arbitrary length L. Therefore, the developed part becomes substantially rectangular.
図18は1条ネジの模式図である。ネジ溝に沿って左端下から上に進むと、右辺のAに至るが、ここで軸を1周したことになるので、溝の続きは左辺のAに移る。左辺のAから右辺のBに至ることで、軸をさらに1周したことになる。図18に示した1条ネジにおいては、軸方向の溝の間隔(ピッチ)はδであり、8周してネジ溝の上端部Hに至る。また、リード角はαである。 FIG. 18 is a schematic diagram of a single thread. When proceeding from the lower left end to the upper side along the screw groove, it reaches A on the right side. However, since the shaft has made one round here, the continuation of the groove moves to A on the left side. By going from A on the left side to B on the right side, the shaft has made one more turn. In the single thread shown in FIG. 18, the interval (pitch) of the grooves in the axial direction is δ and reaches eight times around the upper end H of the thread groove. The lead angle is α.
図19は4条ネジの模式図である。ネジ溝の始まる箇所は、径方向で90度毎に4つあるので、1条ネジの溝に比べて流路が4倍である。左端下の0度から始まるネジ溝に沿って上に進むと、右辺のDに至るが、ここで軸を1周したことになるので、溝の続きは左辺のDに移る。左辺のDからさらに進むと右辺のネジ溝の上端部Hに到達する。他の角度から始まる3つのネジ溝も同じである。すなわち、ネジ溝が2周して上端部に到達する。また、図19に示した4条ねじのリード角はβである。 FIG. 19 is a schematic view of a four-thread screw. Since there are four starting points of the thread groove every 90 degrees in the radial direction, the flow path is four times as large as the groove of the single thread. Proceeding upward along the screw groove starting from 0 degrees below the left end, it reaches D on the right side, but since it has made one round of the axis here, the continuation of the groove moves to D on the left side. Proceeding further from D on the left side, it reaches the upper end H of the thread groove on the right side. The same is true for the three threaded grooves starting from other angles. In other words, the screw groove reaches the upper end after two rounds. Further, the lead angle of the four-thread screw shown in FIG. 19 is β.
ネジ溝によるポンピング性能は、1回転で、ネジ溝中の媒体を軸方向へどれだけ移動できるかということに依存する。したがって、同一の溝幅、深さ、ピッチの条件であれば、リード角が大きいほうが、1回転あたりの軸方向の移動量が大きくなるので良い。図18及び図19に示したように、1条ネジのリード角αは4条ネジのβよりも小さい。そして1条ネジよりも4条ネジの方が1本の溝あたりのポンピング性能は勝っている。 The pumping performance by the thread groove depends on how much the medium in the thread groove can be moved in the axial direction in one rotation. Therefore, under the same groove width, depth, and pitch conditions, the larger the lead angle, the greater the amount of movement in the axial direction per rotation. As shown in FIGS. 18 and 19, the lead angle α of the single thread is smaller than β of the four thread. And the four-thread screw is superior to the one-thread screw in pumping performance per groove.
しかしながら、ネジ溝数は4倍になり、この場合、ネジ溝の条数が増加することでネジ溝144の断面積も増加する。ネジ溝144の断面積が増加すると、高圧側から低圧側へ流れる漏洩量が多くなる。場合によってはポンピング効果により低減される漏洩量より、ネジ溝144の断面積の増加により増加する漏洩量が多くなり、結果として全体的な漏洩量が多くなる。
However, the number of screw grooves becomes four times, and in this case, the cross-sectional area of the
以上のように、ネジ溝シール144においてリード角θを大きくすると、ポンピング効果が向上するが、ネジ溝144の断面積が大きくなる。即ち、ネジ溝シール144は、ポンピング効果とネジ溝144の断面積との間にトレードオフの関係が存在するという問題を有する。
As described above, increasing the lead angle θ in the
なお、ネジ溝が静止側に形成されたネジ溝シールも同様の問題を有する。図20は、ネジ溝が静止側に形成された従来のネジ溝シールの概略部分断面図である。図20においては、固定体134を断面図で示し、回転軸124を側面図で示している。ネジ溝シール115は、外周面が平滑な回転体である回転軸124と、回転軸124と対向する面にネジ溝144が形成された固定体134とを有する。回転軸124と固定体134の隙間を図中矢印Aの方向に流れる流体は、回転する回転軸124の摩擦力により、回転方向の力を受ける。これにより、ネジ溝144に沿って低圧側から高圧側に向かう流れ(図中矢印Aとは逆向きの流れ)が生じ、いわゆるポンピング効果が生じる。
The thread groove seal in which the thread groove is formed on the stationary side also has the same problem. FIG. 20 is a schematic partial cross-sectional view of a conventional thread groove seal in which the thread groove is formed on the stationary side. In FIG. 20, the fixed
図20に示したネジ溝シール115も、図17に示したネジ溝シール114と同様に、リード角を大きくすると、ポンピング効果が向上するが、ネジ溝144の断面積が大きくなる。その結果、全体的な漏洩量が多くなる場合がある。
As in the
ところで、実開昭62−98798号公報(特許文献1)と実開昭62−101093号公報(特許文献2)では、ネジ溝シール部において、高圧側から低圧側に向けてネジ深さやネジ深さと幅によるネジ断面積が連続的あるいは段階的に広くなる構成のシール技術が開示されている。このような構成のネジ溝シールは、空気などの大気圧以下の状態の流体にはそれなりのシール効果があったが、水などの非圧縮性流体の場合には、シール流路断面積が下流ほど広くなることでネジ溝シール内の流れが不安定となり、軸の振れまわりに悪影響を及ぼす場合があった。 Incidentally, in Japanese Utility Model Publication No. 62-98798 (Patent Document 1) and Japanese Utility Model Application Publication No. 62-101093 (Patent Document 2), in the thread groove seal portion, the screw depth or the screw depth is increased from the high pressure side to the low pressure side. A sealing technique is disclosed in which the thread cross-sectional area depending on the width and width is increased continuously or stepwise. The thread groove seal with such a configuration has a certain sealing effect for fluids under atmospheric pressure such as air, but in the case of incompressible fluid such as water, the cross-sectional area of the seal channel is downstream. As the width becomes larger, the flow in the thread groove seal becomes unstable, which may adversely affect the shaft runout.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、ネジ溝シールのポンピング効果による漏洩量低減効果を効果的に利用するためにリード角を大きくした際に伴う漏洩量増大の影響を小さくすることを目的としている。言い換えれば、リード角を大きくして(ネジ溝の条数を増加させて)ネジ溝シールのポンピング効果の最大化を図りつつ、それに伴う漏れ量を低減することである。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and one of its purposes is to increase the lead angle in order to effectively use the leakage reduction effect due to the pumping effect of the thread groove seal. The purpose is to reduce the influence of the increase in leakage amount. In other words, increasing the lead angle (increasing the number of thread grooves) maximizes the pumping effect of the thread groove seal and reduces the amount of leakage associated therewith.
また、本発明の他の目的の一つは、ネジ溝シール内の流れを安定化し、軸が安定した回転ができるネジ溝シールを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a thread groove seal that stabilizes the flow in the thread groove seal and allows the shaft to rotate stably.
また、本発明の他の目的の一つは、羽根車を取付けた回転軸を回転させ、流体を移送する回転機械であって、羽根車によって昇圧された流体が低圧側に漏れることを低減し、ポンプ効率を上げる回転機械を提供することである。 Another object of the present invention is a rotating machine that rotates a rotating shaft to which an impeller is attached to transfer a fluid, and reduces the leakage of fluid pressurized by the impeller to the low pressure side. It is to provide a rotating machine that increases pump efficiency.
本発明の第1の形態に係る非接触環状シールは、回転機械の回転部に設けられる回転体と、前記回転機械の固定部に設けられる固定体と、を有し、前記回転体と前記固定体との隙間を流れる流体をシールするように構成された非接触環状シールであって、前記隙間を形成する前記回転体の表面及び前記固定体の表面の少なくとも一方に設けられるネジ溝を有し、前記ネジ溝は、高圧側の前記ネジ溝の断面積が低圧側の前記ネジ溝の断面積よりも大きい領域を有し、前記ネジ溝の条数は、4条以上である。 The non-contact annular seal concerning the 1st form of the present invention has a rotating body provided in a rotating part of a rotating machine, and a fixed body provided in a fixing part of the rotating machine, and the rotating body and the fixed A non-contact annular seal configured to seal a fluid flowing through a gap between the body and a screw groove provided on at least one of the surface of the rotating body and the surface of the fixed body that forms the gap. The screw groove has a region in which the cross-sectional area of the screw groove on the high-pressure side is larger than the cross-sectional area of the screw groove on the low-pressure side, and the number of the thread grooves is four or more.
本発明の第2の形態に係る非接触環状シールは、上記第1の形態の非接触環状シールにであって、前記領域が、高圧側から低圧側に向かって前記ネジ溝の断面積が連続的に小さくなるように形成された縮小領域を有する。 The non-contact annular seal according to a second aspect of the present invention is the non-contact annular seal according to the first aspect, wherein the region has a continuous cross-sectional area of the thread groove from the high pressure side toward the low pressure side. A reduced region formed to be smaller.
本発明の第3の形態に係る非接触環状シールは、上記第2の形態の非接触環状シールであって、前記縮小領域が、シール入口側からシール出口側に向かって前記ネジ溝の深さが連続的に小さくなるように形成された領域を有する。 The non-contact annular seal according to a third aspect of the present invention is the non-contact annular seal according to the second aspect, wherein the reduced region has a depth of the thread groove from the seal inlet side toward the seal outlet side. Has a region formed so as to be continuously reduced.
本発明の第4の形態に係る非接触環状シールは、上記第2又は第3の形態の非接触環状シールであって、前記縮小領域が、高圧側から低圧側に向かって前記ネジ溝の幅が連続的に小さくなるように形成された領域を有する。 A non-contact annular seal according to a fourth aspect of the present invention is the non-contact annular seal according to the second or third aspect, wherein the reduced region has a width of the thread groove from the high pressure side toward the low pressure side. Has a region formed so as to be continuously reduced.
本発明の第5形態に係る非接触環状シールは、上記第2ないし第4の形態のいずれかの非接触環状シールであって、前記縮小領域は、前記ネジ溝の深さと幅の比率が一定となるように形成された領域を有する。 A non-contact annular seal according to a fifth aspect of the present invention is the non-contact annular seal according to any one of the second to fourth aspects, wherein the reduced area has a constant ratio of the depth and width of the thread groove. It has the area | region formed so that it might become.
本発明の第6の形態に係る非接触環状シールは、上記第1の形態の非接触環状シールであって、前記領域が、高圧側から低圧側に向かって断面積が段階的に小さくなるように形成された縮小領域を有する。 A non-contact annular seal according to a sixth aspect of the present invention is the non-contact annular seal according to the first aspect, wherein the area of the region gradually decreases from the high pressure side toward the low pressure side. Having a reduced region formed on the substrate.
本発明の第7の形態に係る非接触環状シールは、上記第6の形態の非接触環状シールであって、前記縮小領域が、高圧側から低圧側に向かって前記ネジ溝の深さが段階的に小さくなるように形成された領域を有する。 The non-contact annular seal according to a seventh aspect of the present invention is the non-contact annular seal according to the sixth aspect, wherein the reduced region has a stepped depth of the thread groove from the high pressure side toward the low pressure side. A region formed so as to be smaller.
本発明の第8の形態に係る回転機械は、電動機と、前記電動機と連結されて回転可能に構成される主軸と、前記主軸に嵌合され、該主軸とともに回転可能に構成される羽根車と、前記羽根車を収容するケーシングと、前記ケーシングに取り付けられ、前記主軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、前記主軸は回転部を有し、前記ケーシングは固定部を有し、前記回転部及び前記固定部は、第1の形態ないし第7の形態のいずれか一つに記載された非接触環状シールを有する。 A rotating machine according to an eighth aspect of the present invention includes an electric motor, a main shaft that is connected to the electric motor and configured to be rotatable, and an impeller that is fitted to the main shaft and configured to be rotatable together with the main shaft. A casing that houses the impeller, and a bearing that is attached to the casing and rotatably supports the main shaft, the main shaft includes a rotating portion, the casing includes a fixed portion, and the rotation The portion and the fixing portion have the non-contact annular seal described in any one of the first to seventh embodiments.
本発明の一形態によれば、ネジ溝を有する非接触環状シールにおいて、ポンピング効果を大きくするためにネジ溝のリード角を大きくしても(ネジ溝の条数を増加させても)、ネジ溝の断面積はシールの軸方向の平均で考えると小さくなり、漏洩量を大きく減少させることができる。このように本発明の一形態によれば、非接触シールの径方向隙間を小さくすることなく、高い軸封性能を有する非接触シールを実現することができる。 According to one aspect of the present invention, in a non-contact annular seal having a thread groove, even if the lead angle of the thread groove is increased (increasing the number of thread grooves) to increase the pumping effect, the screw The cross-sectional area of the groove becomes smaller when considered in the average of the axial direction of the seal, and the leakage amount can be greatly reduced. Thus, according to one aspect of the present invention, a non-contact seal having high shaft sealing performance can be realized without reducing the radial clearance of the non-contact seal.
更に、高圧側から低圧側に向かうにつれて、ネジ溝断面積が連続的あるいは断続的に小さくなっているという構造なので、ネジ溝シール内の流れが安定的となり、軸が安定して回転できるようになった。 Furthermore, as the cross-sectional area of the thread groove decreases continuously or intermittently from the high pressure side toward the low pressure side, the flow in the thread groove seal becomes stable, so that the shaft can rotate stably. became.
また、本発明の一形態によれば、羽根車を取付けた回転軸を回転させ、流体を移送する回転機械であって、羽根車によって昇圧された流体が低圧側に漏れることを低減し、ポンプ効率を上げる回転機械を提供することができる。 According to another aspect of the present invention, there is provided a rotary machine that rotates a rotating shaft to which an impeller is attached and transfers a fluid, and reduces the leakage of fluid pressurized by the impeller to the low pressure side. A rotating machine that increases efficiency can be provided.
次に、図面を参照しながら、本願発明の一実施形態について説明する。なお、以下の説明はあくまでも実施形態を例示するものであり、本願発明の技術的範囲が以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下に説明する各構成要素は、単独又は任意の組み合わせで、発明を構成することができる。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The following description is merely illustrative of the embodiment, and the technical scope of the present invention is not limited to the following embodiment. Moreover, each component demonstrated below can comprise invention by independent or arbitrary combinations.
図1は、本実施形態に係る非接触環状シールを適用することができる、回転機械である高圧ポンプ(多段遠心ポンプ)の断面図を示す。この高圧ポンプ1は、図示しない電動機に連結されて回転する主軸11と、主軸11に嵌合された羽根車21a,21b,21cと、羽根車21a,21b,21cを収容するケーシング31と、ケーシング31に取り付けられた軸受45a,45bとを備える。軸受45a,45bは、主軸11を回転可能に支持する。高圧ポンプ1を回転駆動するための図示しない電動機は、主軸11の左端に嵌合されたカップリング13を介して主軸11に連結される。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a high-pressure pump (multi-stage centrifugal pump) that is a rotary machine to which the non-contact annular seal according to the present embodiment can be applied. The high-
ケーシング31は流体、即ち水などの液体を外部から吸い込むための吸込口33と、吸い込んだ流体を吐出するための吐出口37を有する。主軸11に嵌合された1段目羽根車21aは、主軸11の回転に伴って回転し、吸込口33から流体をケーシング31内に吸い込む。1段目羽根車21aにより吸い込まれ、昇圧された流体は、第1流路35aを通過し、2段目羽根車21bへ到達する。2段目羽根車21bによって昇圧された流体は、第2流路35bを通過し、3段目羽根車21cへ到達する。流体は、3段目羽根車21cでさらに昇圧され、吐出口37より吐出され、図示しない配管を通じて移送される。即ち、流体は、1段目羽根車21a、2段目羽根車21b及び3段目羽根車21cによって昇圧される。
The
流体には、各羽根車21a,21b,21cの吸込側と吐出側との間に圧力差が生じる。即ち、吸込側が低圧側になり、吐出側が高圧側になる。この圧力差が生じると、僅かな隙間を通じて、高圧側の流体の一部は低圧側へ漏洩する。本実施形態の非接触環状シールは、その漏洩を低減する。図1に示した高圧ポンプ1では、円で囲んだ部位に本実施形態の非接触環状シールが設けられる。図1に示した高圧ポンプ1は多段遠心ポンプであるので、流体の圧力が単段遠心ポンプに比べて高くなり、流体の漏洩量は必然的に多くなる。漏洩量が多ければ、ポンプ効率は低下する。
In the fluid, a pressure difference is generated between the suction side and the discharge side of each
図2は、図1に示した高圧ポンプ1の1段目羽根車21aの拡大断面図である。図示のように、1段目羽根車21aは流体を吸い込む吸込口23と、流体を吐出する吐出口25とを有する。ここで、流体の圧力は、吸込口23側が低圧になり、吐出口25側が高圧となる。即ち、吸込口23は低圧部36であり、吐出口25は高圧部38である。ここで、高圧ポンプ1における流体の漏洩箇所は主に、吸込口23の外周面とケーシング31aとの対向部位Xと、羽根車21aの背面の外周面とケーシング31bとの対向部位Yである。これら各対向部位X,Yに形成される隙間に、本実施形態に係る非接触環状シール41,43が設けられる。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the
流体の漏洩に起因する高圧ポンプ1のポンプ効率低下を低減するために、図2に示すように、回転部としての羽根車21aと固定部としてのケーシング31a,31bの隙間に、それぞれ非接触環状シール41,43を設け、その隙間を狭くしている。
In order to reduce the reduction in pump efficiency of the high-
しかし、高圧ポンプ1のように流体を高圧にするポンプの場合、羽根車21aの背面の高圧側の圧力と低圧側の圧力の差が大きく、平滑な面同士が対向する非接触環状シールが作り出すような隙間程度(数百μm)では、流体の漏洩量は大きい。このため、漏洩量を低減するためには、更にその隙間を狭くして、軸封特性を向上させなくてはならない。しかし、漏洩防止のために隙間を狭くすると、回転部と固定部の接触などの問題が生じるため、隙間を狭くするにはおのずと限界がある。
However, in the case of a high pressure pump such as the
この漏洩を防ぐためのシール構造に関し、過去様々な工夫がされてきた。具体的には、上述した平行溝シール、ダンパーシール、ネジ溝シールなどがそれである。これらのシール構造は、シールの対向部位の表面に、溝や凹凸を設けて圧力損失を増やし、流体の圧力を低下させて漏洩流量を減少させるものである。 Various devices have been devised in the past regarding the seal structure for preventing this leakage. Specifically, the above-mentioned parallel groove seal, damper seal, thread groove seal, and the like. In these seal structures, grooves and irregularities are provided on the surface of the opposed portion of the seal to increase pressure loss, and the fluid pressure is reduced to reduce the leakage flow rate.
上記非接触シールの中でも、ネジ溝シールはネジ溝のポンピング効果によって、漏洩量を小さくすることができる、優れたシール構造であり、回転側にネジ溝を設ける場合や、静止側にネジ溝を設ける場合、両側にネジ溝を設ける場合など様々な形態が存在する。 Among the non-contact seals, the thread groove seal is an excellent seal structure that can reduce the amount of leakage due to the pumping effect of the thread groove, and when the screw groove is provided on the rotating side or the screw groove is provided on the stationary side. There are various forms such as providing screw grooves on both sides.
ネジ溝シールの利点であるポンピング効果を大きくするためにはネジのリード角を大きくすることが有効であるが、そうするとおのずとネジの条数が増える。そのためシールの回転軸に直交する断面でのシール隙間断面積が大きくなり、その分シール漏洩量が増えることになり、ポンピング効果による漏洩量低減効果を打ち消してしまう。 In order to increase the pumping effect, which is an advantage of the thread groove seal, it is effective to increase the lead angle of the screw. However, this naturally increases the number of threads. For this reason, the cross-sectional area of the seal gap in the cross section orthogonal to the rotation axis of the seal increases, and the amount of seal leakage increases accordingly, and the effect of reducing the leakage due to the pumping effect is canceled.
上記のようなネジ溝シールの軸封特性に鑑み、ネジ溝シールのポンピング効果を最大限利用するためのネジ溝の形状を考案した。 In view of the shaft seal characteristics of the thread groove seal as described above, the shape of the thread groove for maximizing the pumping effect of the thread groove seal has been devised.
非接触環状シール41,43は、高圧ポンプ1の回転部である羽根車21aに設けられる回転体41a,43aと、固定部であるケーシング31a,31bに設けられる固定体41b,43bと、を有する。なお、図示の例では回転体41a,43aが羽根車21aとは別の部材として設けられているが、回転体41a,43aは羽根車21aと一体に形成されていてもよい。同様に、図示の例では固定体41b,43bがケーシング31a,31bとは別の部材として設けられているが、固定体41b,43bはケーシング31a,31bと一体に形成されていてもよい。
The non-contact
図3は、図2に示した非接触環状シール41,43に適用可能な本実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。図3においては、固定体136を断面図で示し、回転体126を側面図で示している。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the non-contact annular seal of this embodiment applicable to the non-contact
図示のように、本実施形態の非接触環状シール116は、図2に示した回転部である羽根車21aに設けられる回転体126と、図2に示した固定部であるケーシング31a,31bに設けられる固定体136とを備える。回転体126は、羽根車21aとともに回転可能に構成され、その表面にらせん状に形成されたネジ溝146を備える。即ち、本実施形態の非接触環状シール116はネジ溝シールである。固定体136は略円筒状に形成される。回転体126は、固定体136の内径よりも小さい外径を有する略円筒状の部材である。回転体126は、固定体136の内面に対して所定の隙間を有するように、固定体136の内部に配置される。
As shown in the figure, the non-contact
非接触環状シール116が図1に示した高圧ポンプ1に適用されるとき、流体は、固定体136と回転体126との隙間を、高圧側155(シール入口側)から低圧側156(シール出口側)に向かって、即ち図中矢印Aの方向に向かって漏洩する。回転体126は、回転軸151を中心として所定の方向に回転することで、ポンピング効果により、漏洩する流体を高圧側に押し戻すことができる。
When the non-contact
図4は、図3の非接触環状シール116を回転軸151に沿って切断したときの部分断面図である。以下、図4を用いて図3に示したネジ溝146について詳細に説明する。図示のように、回転体126は、その表面に所定のリード角θでらせん状に形成されたネジ溝146とネジ山157とを有する。固定体136と回転体126は、所定の隙間Gを有するように離間して配置されている。ここで隙間Gとは、固定体136の内面とネジ山157の頂部(ランド部157a)との最短距離をいう。ネジ溝146は所定のネジ溝幅W及びネジ溝深さDを有する。ここで、ネジ溝幅Wは、隣り合うランド部157aを最短で結ぶ直線の長さをいい、ネジ溝深さDは、隣り合うランド部157aを最短で結ぶ直線からネジ溝146の底部に引いた垂線の距離のうち最も長い距離をいう。また、ネジ溝146の断面積158(シール隙間断面積)とは、隣り合うランド部157aの最短直線と、ネジ溝146を形成する外郭部とに囲まれた面積(図中斜線部で示す領域)をいう。即ち、本実施形態のネジ溝146の断面形状は矩形状である。
FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the non-contact
図3及び図4に示した本実施形態の非接触環状シール116では、ネジ溝146の全長に亘って、ネジ溝幅Wが一定であり、且つネジ溝深さDが高圧側155(シール入口側)から低圧側156(シール出口側)に向かって連続的に小さくなるように形成されている。したがって、高圧側155におけるネジ溝146のネジ溝深さDが最も大きく、低圧側156のネジ溝深さDが最も小さくなるように形成されている。即ち、非接触環状シール116は、ネジ溝146の断面積158が高圧側155から低圧側156に向かって連続的に小さくなるように形成されている。
In the non-contact
図5は、本実施形態の非接触環状シール116の高圧側のネジ溝断面と、低圧側のネジ溝断面とを示す図である。図示のように、ネジ溝146の高圧側のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する矩形状の断面である。また、低圧側のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する矩形状の断面である。ここで、幅a0は幅a1と等しく、深さb0は深さb1よりも大きい。即ち、ネジ溝146は、ネジ溝幅を一定としたまま、ネジ溝深さが高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、非接触環状シール116は、ネジ溝146の断面積158が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。
FIG. 5 is a diagram showing a cross section of the high-pressure side thread groove and a low-pressure side thread groove of the non-contact
図3ないし図5に示したように、ネジ溝深さDを変化させてネジ溝146の断面積158を高圧側155から低圧側156に向かって連続的に小さくすることで、ポンピング効果を向上させるためにリード角θを大きくしても、ネジ溝の断面積が一様に大きい場合に比べて、ネジ溝146全長における断面積158の平均値を小さくすることができる。高圧側のネジ溝始まりの断面積をAとし、低圧側の終わりの断面積をBとしたとき、面積比B/Aを、0≦B/A<1とすると、その結果、非接触環状シール116から漏洩する流体の流量を低減することができる。したがって、本発明の一形態によれば、非接触環状シール116の径方向隙間を小さくすることなく、高い軸封性能を有する非接触環状シールを実現することができる。また、高圧側155の断面積が大きく且つ低圧側156の断面積が小さく形成されることで、ネジ溝シール内の流れが安定化し、軸が安定して回転できるという効果を有する。
As shown in FIGS. 3 to 5, the pumping effect is improved by changing the thread groove depth D to continuously reduce the
なお、上記の実施形態では、ネジ溝146の断面積158が、ネジ溝146の全長に亘って高圧側155から低圧側156に向かって小さくなるように形成されている。しかしながら、ネジ溝146の全長のうち少なくとも一部分において、断面積158が高圧側155から低圧側156に向かって小さくなる領域を有するようにネジ溝146が形成されていれば、同様の効果を奏することができる。
In the above embodiment, the
上記の実施形態では、ネジ溝146は回転体126に形成されているが、これに代えて、図6に示すようにネジ溝146は固定体136の内面に設けられてもよい。
In the above embodiment, the
図6は、固定体136の内面にネジ溝146が設けられた非接触環状シール117を示す図である。図示のように、固定体136は、その内面にネジ溝146を備えている。このネジ溝146の深さは、高圧側155から低圧側156に向かって小さくなるように形成されている。即ち、ネジ溝146の断面積は高圧側155から低圧側156に向かって小さくなるように形成されている。このように、ネジ溝146の断面積が高圧側155から低圧側156に向かって小さくなるように形成されているので、ネジ溝146全長における断面積の平均値を小さくすることができる。その結果、非接触環状シール117から漏洩する流体の流量を低減することができる。なお、回転体126及び固定体136の両方にネジ溝146が設けられていてもよい。
FIG. 6 is a view showing a non-contact
以上で説明した非接触環状シールのネジ溝146は、その断面が矩形状であり、ネジ溝深さが高圧側155から低圧側156に向かって小さくなるように形成されている。しかし、ネジ溝146の断面形状はこれに限定されない。たとえば、以下で説明する図7ないし図10に示す断面形状であってもよい。
The
図7A及び図7Bは、矩形状の断面を有するネジ溝の高圧側の断面と低圧側の断面とを示す図である。図7Aに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する矩形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する矩形状の断面である。ここで、高圧側のネジ溝断面の縦横比(a0:b0)は、低圧側のネジ溝断面の縦横比(a1:b1)と同一である。また、幅a0は幅a1よりも大きく、深さb0は深さb1よりも大きい。即ち、ネジ溝の断面は、その縦横比を一定としたまま、ネジ溝幅及びネジ溝深さが、高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるようにネジ溝を形成することができる。 7A and 7B are views showing a cross section on a high pressure side and a cross section on a low pressure side of a thread groove having a rectangular cross section. The screw groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the screw groove shown in FIG. 7A is a rectangular cross section having a width a0 and a depth b0. The thread groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a rectangular cross section having a width a1 and a depth b1. Here, the aspect ratio (a0: b0) of the cross section of the thread groove on the high pressure side is the same as the aspect ratio (a1: b1) of the cross section of the thread groove on the low pressure side. Further, the width a0 is larger than the width a1, and the depth b0 is larger than the depth b1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove width and the thread groove depth are continuously reduced from the high pressure side toward the low pressure side while keeping the aspect ratio constant. Thereby, the thread groove can be formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図7Bに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する矩形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する矩形状の断面である。ここで、幅a0は幅a1よりも大きく、深さb0は深さb1と等しい。即ち、ネジ溝の断面は、ネジ溝深さを一定としたまま、ネジ溝幅が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるようにネジ溝を形成することができる。 The screw groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the screw groove shown in FIG. 7B is a rectangular cross section having a width a0 and a depth b0. The thread groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a rectangular cross section having a width a1 and a depth b1. Here, the width a0 is larger than the width a1, and the depth b0 is equal to the depth b1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove width continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side while keeping the thread groove depth constant. Thereby, the thread groove can be formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図8Aないし図8Cは、三角形状の断面を有するネジ溝の高圧側の断面と低圧側の断面とを示す図である。図8Aに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する三角形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する三角形状の断面である。ここで、高圧側のネジ溝断面の縦横比(a0:b0)は、低圧側のネジ溝断面の縦横比(a1:b1)と同一である。また、幅a0は幅a1よりも大きく、深さb0は深さb1よりも大きい。即ち、ネジ溝の断面は、その縦横比を一定としたまま、ネジ溝幅及びネジ溝深さが、高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるようにネジ溝を形成することができる。 8A to 8C are views showing a cross section on a high pressure side and a cross section on a low pressure side of a thread groove having a triangular cross section. The thread groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the thread groove shown in FIG. 8A is a triangular cross section having a width a0 and a depth b0. The thread groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a triangular cross section having a width a1 and a depth b1. Here, the aspect ratio (a0: b0) of the cross section of the thread groove on the high pressure side is the same as the aspect ratio (a1: b1) of the cross section of the thread groove on the low pressure side. Further, the width a0 is larger than the width a1, and the depth b0 is larger than the depth b1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove width and the thread groove depth are continuously reduced from the high pressure side toward the low pressure side while keeping the aspect ratio constant. Thereby, the thread groove can be formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図8Bに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する三角形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する三角形状の断面である。ここで、幅a0は幅a1と等しく、深さb0は深さb1よりも大きい。即ち、ネジ溝の断面は、ネジ溝幅を一定としたまま、ネジ溝深さが高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、非接触環状シールは、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。 The thread groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the thread groove shown in FIG. 8B is a triangular cross section having a width a0 and a depth b0. The thread groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a triangular cross section having a width a1 and a depth b1. Here, the width a0 is equal to the width a1, and the depth b0 is greater than the depth b1. That is, the cross section of the thread groove is formed so that the thread groove depth continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side while keeping the thread groove width constant. Thereby, the non-contact annular seal is formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図8Cに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する三角形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する三角形状の断面である。ここで、幅a0は幅a1よりも大きく、深さb0は深さb1と等しい。即ち、ネジ溝の断面は、ネジ溝深さを一定としたまま、ネジ溝幅が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるようにネジ溝を形成することができる。 The thread groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the thread groove shown in FIG. 8C is a triangular cross section having a width a0 and a depth b0. The thread groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a triangular cross section having a width a1 and a depth b1. Here, the width a0 is larger than the width a1, and the depth b0 is equal to the depth b1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove width continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side while keeping the thread groove depth constant. Thereby, the thread groove can be formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図9Aないし図9Cは、U字形状の断面を有するネジ溝の高圧側の断面と低圧側の断面とを示す図である。図9Aに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する矩形状断面と、半径R0を有する半円形状断面とを組み合わせたU字形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する矩形状断面と、半径R1を有する半円形状断面とを組み合わせたU字形状の断面である。ここで、高圧側のネジ溝断面の比(a0:b0:R0)は、低圧側のネジ溝断面の比(a1:b1:R1)と同一である。また、幅a0は幅a1よりも大きく、深さb0は深さb1よりも大きく、半径R0は半径R1より大きい。即ち、ネジ溝の断面は、その比を一定としたまま、ネジ溝幅、ネジ溝深さ及びネジ溝半径が、高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるようにネジ溝を形成することができる。 9A to 9C are views showing a cross section on the high pressure side and a cross section on the low pressure side of the thread groove having a U-shaped cross section. The thread groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the thread groove shown in FIG. 9A is a U-shaped cross section combining a rectangular cross section having a width a0 and a depth b0 and a semicircular cross section having a radius R0. It is. The screw groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a U-shaped cross section that combines a rectangular cross section having a width a1 and a depth b1 and a semicircular cross section having a radius R1. Here, the ratio (a0: b0: R0) of the thread groove cross section on the high pressure side is the same as the ratio (a1: b1: R1) of the thread groove cross section on the low pressure side. Further, the width a0 is larger than the width a1, the depth b0 is larger than the depth b1, and the radius R0 is larger than the radius R1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove width, the thread groove depth, and the thread groove radius are continuously reduced from the high pressure side toward the low pressure side with the ratio being constant. Thereby, the thread groove can be formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図9Bに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する矩形状断面と、半径R0を有する半円形状断面とを組み合わせたU字形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する矩形状断面と、半径R1を有する半円形状断面とを組み合わせたU字形状の断面である。ここで、幅a0は幅a1と等しく、深さb0は深さb1よりも大きく、半径R0は半径R1と等しい。即ち、ネジ溝の断面は、ネジ溝幅及びネジ溝半径を一定としたまま、ネジ溝深さが高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、非接触環状シールは、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。 The thread groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the thread groove shown in FIG. 9B is a U-shaped cross section combining a rectangular cross section having a width a0 and a depth b0 and a semicircular cross section having a radius R0. It is. The screw groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a U-shaped cross section that combines a rectangular cross section having a width a1 and a depth b1 and a semicircular cross section having a radius R1. Here, the width a0 is equal to the width a1, the depth b0 is larger than the depth b1, and the radius R0 is equal to the radius R1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove depth continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side while keeping the thread groove width and the thread groove radius constant. Thereby, the non-contact annular seal is formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図9Cに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0及び深さb0を有する矩形状断面と、半径R0を有する半円形状断面とを組み合わせたU字形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1及び深さb1を有する矩形状断面と、半径R1を有する半円形状断面とを組み合わせたU字形状の断面である。ここで、幅a0は幅a1よりも大きく、深さb0は深さb1と等しく、半径R0は半径R1より大きい。即ち、ネジ溝の断面は、ネジ溝深さを一定としたまま、ネジ溝幅及びネジ溝半径が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるようにネジ溝を形成することができる。 The thread groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the thread groove shown in FIG. 9C is a U-shaped cross section combining a rectangular cross section having a width a0 and a depth b0 and a semicircular cross section having a radius R0. It is. The screw groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a U-shaped cross section that combines a rectangular cross section having a width a1 and a depth b1 and a semicircular cross section having a radius R1. Here, the width a0 is larger than the width a1, the depth b0 is equal to the depth b1, and the radius R0 is larger than the radius R1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove width and the thread groove radius are continuously reduced from the high pressure side toward the low pressure side while keeping the thread groove depth constant. Thereby, the thread groove can be formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図10A及び図10Bは、半円形状の断面を有するネジ溝の高圧側の断面と低圧側の断面とを示す図である。図10Aに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0、深さb0及び半径R0を有する半円形状の断面である。ここで、幅a0は半径R0の二倍に等しく、深さb0は半径R0と等しい。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、幅a1、深さb1及び半径R1を有する半円形状断面の断面である。ここで、幅a1は半径R1の二倍に等しく、深さb1は半径R1と等しい。ここで、高圧側のネジ溝断面の比(a0:b0)は、低圧側のネジ溝断面の比(a1:b1)と同一である。また、幅a0は幅a1よりも大きく、深さb0は深さb1よりも大きく、半径R0は半径R1より大きい。即ち、ネジ溝の断面は、その比を一定としたまま、ネジ溝幅、ネジ溝深さ及びネジ溝半径が、高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるようにネジ溝を形成することができる。 10A and 10B are views showing a cross section on the high pressure side and a cross section on the low pressure side of the thread groove having a semicircular cross section. The thread groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the thread groove shown in FIG. 10A is a semicircular cross section having a width a0, a depth b0, and a radius R0. Here, the width a0 is equal to twice the radius R0, and the depth b0 is equal to the radius R0. The thread groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is a semicircular cross section having a width a1, a depth b1, and a radius R1. Here, the width a1 is equal to twice the radius R1, and the depth b1 is equal to the radius R1. Here, the ratio (a0: b0) of the thread groove cross section on the high pressure side is the same as the ratio (a1: b1) of the thread groove cross section on the low pressure side. Further, the width a0 is larger than the width a1, the depth b0 is larger than the depth b1, and the radius R0 is larger than the radius R1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove width, the thread groove depth, and the thread groove radius are continuously reduced from the high pressure side toward the low pressure side with the ratio being constant. Thereby, the thread groove can be formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
図10Bに示すネジ溝の高圧側(シール入口側)のネジ溝断面は、幅a0、深さb0及び半径R0を有する半円形状の断面である。また、低圧側(シール出口側)のネジ溝断面は、曲率半径がR1であり、幅a1及び深さb1を有する円弧状の断面である。ここで、幅a0は幅a1より大きく、深さb0は深さb1よりも大きい。即ち、ネジ溝の断面は、ネジ溝幅及びネジ溝深さが高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。これにより、非接触環状シールは、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。 The thread groove cross section on the high pressure side (seal inlet side) of the thread groove shown in FIG. 10B is a semicircular cross section having a width a0, a depth b0, and a radius R0. The thread groove cross section on the low pressure side (seal outlet side) is an arc-shaped cross section having a radius of curvature R1 and a width a1 and a depth b1. Here, the width a0 is larger than the width a1, and the depth b0 is larger than the depth b1. That is, the cross section of the thread groove is formed such that the thread groove width and the thread groove depth are continuously reduced from the high pressure side toward the low pressure side. Thereby, the non-contact annular seal is formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
なお、図7ないし図10に示した断面形状以外の形状でも、高圧側(シール入口側)のネジ溝の断面積が広く、低圧側(シール出口側)のネジ溝の断面積が狭く、且つ断面積が高圧側から低圧側に向かって連続的に変化する形状であれば、本実施形態の非接触環状シールに採用することができる。 7 to 10, the cross-sectional area of the thread groove on the high-pressure side (seal inlet side) is large, the cross-sectional area of the screw groove on the low-pressure side (seal outlet side) is narrow, and Any shape that has a cross-sectional area that continuously changes from the high-pressure side to the low-pressure side can be employed in the non-contact annular seal of this embodiment.
また、図7ないし図10に示した断面形状を有するネジ溝は、ネジ溝の全長のうち少なくとも一部分において、断面積が高圧側から低圧側に向かって小さくなる領域を有するように形成されていれば、上述した本実施形態の効果を奏することができる。 Further, the thread groove having the cross-sectional shape shown in FIGS. 7 to 10 is formed so as to have a region where the cross-sectional area becomes smaller from the high pressure side toward the low pressure side in at least a part of the entire length of the thread groove. If it is, the effect of this embodiment mentioned above can be show | played.
次に、ネジ溝の断面積が高圧側から低圧側に向かって段階的に小さくなる、本発明の他の実施形態に係る非接触環状シールについて説明する。図11は、図2に示した非接触環状シール41,43に適用可能な他の実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。図11においては、固定体137を断面図で示し、回転体127を側面図で示している。非接触環状シール118は、図2に示した回転部である羽根車21aに設けられる回転体127と、図2に示した固定部であるケーシング31a,31bに設けられる固定体137とを備える。回転体127は、羽根車21aとともに回転可能に構成され、その表面にらせん状に形成されたネジ溝147を備える。即ち、本実施形態の非接触環状シール118はネジ溝シールである。固定体137は略円筒状に形成される。回転体127は、固定体137の内径よりも小さい外径を有する略円筒状の部材である。回転体127は、固定体137の内面に対して所定の隙間を有するように、固定体137の内部に配置される。
Next, a non-contact annular seal according to another embodiment of the present invention in which the cross-sectional area of the thread groove becomes smaller in steps from the high pressure side to the low pressure side will be described. FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing a non-contact annular seal of another embodiment applicable to the non-contact
らせん状に形成されたネジ溝147は、溝の進行方向に沿って所定の長さ毎にネジ溝147の深さが段階的に小さくなるように形成されている。ネジ溝147の幅は入口側から出口側まで一定である。ネジ溝147の深さは、高圧側155(シール入口側)が最も深い、即ちネジ溝147の底部径が最も小さい。また、ネジ溝147の深さは、低圧側156(シール出口側)が最も浅く(ネジ溝147の底部径が最も大きく)形成されている。
The
また、ネジ溝147の底部径は、高圧側155から数段(ネジの溝の数)ずつd1<d2<d3となるように形成されている。シール入口側(高圧側155)から3段は、ねじ溝の底部径がd1であり、最も溝底部径が小さい(溝深さが最も深い)。次の4段はd2であり、d1とd3との中間の径である。シール出口側(低圧側156)の4段の溝底部径は最も大きい。即ち、一つのネジ溝147に階段状の段差をつけ、高圧側155のシール入口の溝断面積が最も広く、低圧側のシール出口の断面積が最も狭くなるように、ネジ溝断面積を三段階に変化させている。
Further, the bottom diameter of the
言い換えれば、ネジ溝147は、高圧側155のネジ溝147の深さが最も大きく、低圧側156に向かって数ピッチ毎にネジ溝147の深さが段階的に小さくなるように形成されている。具体的には、高圧側155からネジ溝147は略3周の長さに亘って、第1の深さに形成されている(図中第1段目の範囲)。第1の深さに形成されたネジ溝147に連続して、ネジ溝147は、略4周の長さに亘って第1の深さよりも小さい第2の深さに形成されている(図中第2段目の範囲)。続いて、第2の深さに形成されたネジ溝147に連続して、ネジ溝147は、略4周の長さに亘って第2の深さよりも小さい第3の深さに形成されている(図中第3段目の範囲)。
In other words, the
したがって、ネジ溝147は、高圧側155から3ピッチ分に亘り、ネジ溝147の底部径の大きさがd1となるように形成される(図中第1段目の範囲)。続いて、ネジ溝147は次の4ピッチ分に亘り、ネジ溝147の底部径の大きさがd1より大きいd2となるように形成される(図中第2段目の範囲)。最後に、低圧側156のネジ溝147は4ピッチ分に亘り、ネジ溝147の底部径の大きさがd2よりも大きいd3となるように形成される(図中第3段目の範囲)。
Accordingly, the
以上で説明したようにネジ溝147が形成されているので、この非接触環状シール118は、高圧側155から低圧側156に向かって、ネジ溝147の断面積が段階的に小さくなるように形成されている。このようにネジ溝147の断面積を段階的に小さくすることにより、ポンピング効果を向上させるためにリード角θを大きくしても(ネジ溝の条数を増加させても)、ネジ溝147全長における断面積の平均値を小さくすることができる。その結果、非接触環状シール118から漏洩する流体の流量を低減することができる。したがって、本実施形態によれば、非接触環状シール116の径方向隙間を小さくすることなく、高い軸封性能を有する非接触環状シールを実現することができる。また、高圧側155の断面積が大きく且つ低圧側156の断面積が小さく形成されることで、ネジ溝シール内の流れが安定化し、軸が安定して回転できるという効果を有する。
Since the
なお、図11に示した非接触環状シール118では、ネジ溝147の断面積が、ネジ溝147の全長に亘って高圧側155から低圧側156に向かって段階的に小さくなるように形成されている。しかしながら、ネジ溝147の全長のうち少なくとも一部分において、断面積が高圧側155から低圧側156に向かって段階的に小さくなる領域を有するようにネジ溝146が形成されていれば、同様の効果を奏することができる。
In the non-contact
また、図11に示した非接触環状シール118では、ネジ溝147の断面積が、図中第1段目から第3段目までの3段階に分けて小さくなるように形成されている。しかしながら、これに限らず、回転機械の仕様に応じて、2段階、又は4段階以上に分けて断面積が小さくなるように形成されていてもよい。
Further, in the non-contact
また、図11に示した非接触環状シール118では、ネジ溝147の深さが3ピッチ又は4ピッチ毎に段階的に小さくなるように形成されている。しかしながら、これに限らず、回転機械の仕様に応じて、2ピッチ毎又は5ピッチ以上毎にネジ溝147の深さが段階的に小さくなるように形成されてもよい。
Further, in the non-contact
また、ネジ溝147の深さは、ピッチ毎ではなく、ネジ溝147の所定の周方向長さ毎に段階的に小さくなるように形成してもよい。即ち、ネジ溝147の周方向長さで半周の長さ毎に断面積を段階的に小さくしてもよいし、1周以上の所定の長さ毎又は2周以上の所定の長さ毎に断面積を段階的に小さくしてもよい。
Further, the depth of the
図11に示した非接触環状シール118では、ネジ溝147は回転体127に形成されているが、これに代えて、ネジ溝147は固定体137の内面に設けられてもよい。また、回転体127及び固定体137の両方にネジ溝147が設けられていてもよい。
In the non-contact
図11に示した非接触環状シール118では、ネジ溝147の進行方向に沿って所定の長さ毎にネジ溝147の深さが段階的に小さくなるように形成されている。しかし、これに限らず、ネジ溝147の進行方向に沿ってネジ溝147の幅を変化させて、高圧側155から低圧側156に向かって、ネジ溝147の断面積が段階的に小さくなるように形成されてもよい。
The non-contact
図3及び図11に示した非接触環状シールの回転体及び固定体は、例えば、SUS(ステンレス鋼)材、SS(一般構造圧延鋼)材、NI系合金、及び黄銅等の金属系材料で形成される。要求される仕様に応じて、複合材料、セラミックス材料、樹脂材料等が用いられてもよい。また、ネジ溝の最適なネジ溝形状(ピッチ、幅、溝深さ等)は、非接触環状シールに求められる条件によるが、流体の漏洩を低減できる形状であればよく、特定の形状に限定されるものではない。 The rotating body and fixed body of the non-contact annular seal shown in FIGS. 3 and 11 are, for example, metal materials such as SUS (stainless steel) material, SS (general structure rolled steel) material, NI-based alloy, and brass. It is formed. A composite material, a ceramic material, a resin material, or the like may be used depending on the required specifications. Further, the optimum thread groove shape (pitch, width, groove depth, etc.) of the thread groove depends on the conditions required for the non-contact annular seal, but may be any shape that can reduce fluid leakage, and is limited to a specific shape. Is not to be done.
また、図3及び図11に示した本実施形態の非接触環状シールにおいて、ネジ溝が形成されていない低圧側または高圧側の固定体は平滑面であり、図6に示した本実施形態の非接触環状シールにおいて、ネジ溝が形成されていない低圧側または高圧側の回転体は平滑面であるが、これに限らず、ネジ溝が形成されていない面は、図14に示した平行溝や、図15及び図16に示したダンパー構造を有するように形成されてもよい。 Further, in the non-contact annular seal of the present embodiment shown in FIGS. 3 and 11, the fixed body on the low pressure side or the high pressure side in which the thread groove is not formed is a smooth surface, and in the present embodiment shown in FIG. In the non-contact annular seal, the rotating body on the low-pressure side or the high-pressure side where the thread groove is not formed is a smooth surface. However, the surface on which the thread groove is not formed is not limited to this, and the parallel groove shown in FIG. Alternatively, it may be formed to have the damper structure shown in FIGS. 15 and 16.
図3及び図11に示した非接触環状シールを、図2に示す非接触環状シール41,43に適用し、図1に示す高圧ポンプ1を運転したところ、軸封特性が良くなり揚水性能が数%向上した。
When the non-contact annular seal shown in FIGS. 3 and 11 is applied to the non-contact
[実験例1]
図3に示した回転体126にネジ溝146を形成した非接触環状シール116、及び図6に示した固定体136にネジ溝146を形成した非接触環状シール117を用いた場合の、液体の漏れ流量シミュレーションを行った。シミュレーションの条件として採用した作動流体は水である。また、高圧側155と低圧側156との圧力差は0.6MPaとし、回転体126の回転数は3000rpmとした。なお、このときのネジ溝146の条数は12条である。また、高圧側のネジ溝始まりのネジ溝146の断面積はAとし、低圧側に向けて連続的に断面積を小さくし、低圧側の最終のネジ溝146の断面積Bを0としたものである。[Experimental Example 1]
When the non-contact
[比較例1]
比較例1として、図17に示した回転体124に一様な断面積Aのネジ溝144を形成した非接触環状シール114、及び図20に示した固定体134に一様な断面積Aのネジ溝144を形成した非接触環状シール115を用いた場合の、液体の漏れ流量シミュレーションを行った。シミュレーションの条件として採用した作動流体は水である。また、高圧側と低圧側との圧力差は0.6MPaとし、それぞれの回転体の回転数は3000rpmとした。なお、このときのそれぞれのネジ溝144の条数は12条である。[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, the non-contact
図12は、実験例1及び比較例1のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は漏れ流量(×10−4m3/s)を示す。図6に示した非接触環状シール117(本実施例静止側ネジ溝シール)の漏れ量は、約4.7×10−4m3/sとなり、図20に示した非接触環状シール115(従来技術静止側ネジ溝シール)の漏れ量は、約6.7×10−4m3/sとなった。従って、本実施例静止側ネジ溝シールの漏れ量は、従来技術静止側ネジ溝シールの漏れ量の70%程度となった。 FIG. 12 is a graph showing simulation results of Experimental Example 1 and Comparative Example 1. The vertical axis represents the leakage flow rate (× 10 −4 m 3 / s). The leakage amount of the non-contact annular seal 117 (the stationary thread groove seal of this embodiment) shown in FIG. 6 is about 4.7 × 10 −4 m 3 / s, and the non-contact annular seal 115 (prior art) shown in FIG. The leakage amount of the stationary thread groove seal was about 6.7 × 10 −4 m 3 / s. Therefore, the leakage amount of the stationary side thread groove seal of this example is about 70% of the leakage amount of the stationary side thread groove seal of the prior art.
また、図3に示した非接触環状シール116(本実施例回転側ネジ溝シール)の漏れ量は、約4.5×10−4m3/sとなり、図17に示した非接触環状シール114(従来技術回転側ネジ溝シール)の漏れ量は、約6.2×10−4m3/sとなった。したがって、本実施例回転側ネジ溝シールの漏れ量は、従来技術回転側ネジ溝シールの漏れ量の72%程度となった。 Further, the leakage amount of the non-contact annular seal 116 (the rotation-side thread groove seal of this embodiment) shown in FIG. 3 is about 4.5 × 10 −4 m 3 / s, and the non-contact annular seal 114 ( The leakage amount of the prior art rotating side thread groove seal was about 6.2 × 10 −4 m 3 / s. Therefore, the leakage amount of the rotation side thread groove seal of this embodiment was about 72% of the leakage amount of the conventional rotation side thread groove seal.
なお、図12に示したシミュレーション結果に基づくと、回転体126及び固定体136の両方にネジ溝145を有する本実施例の非接触環状シールの漏れ量は、回転体124及び固定体134の両方にネジ溝144を有する従来の非接触環状シールの漏れ量に対して、70%程度になることが推測される。
Based on the simulation results shown in FIG. 12, the leakage amount of the non-contact annular seal of the present embodiment having the thread groove 145 in both the
[実験例2]
図6に示した固定体136に条数の異なるネジ溝146を形成した複数の非接触環状シール117に対して、液体の漏れ流量シミュレーションを行った。シミュレーションの条件として採用した作動流体は水である。また、高圧側155と低圧側156との圧力差は0.6MPaとし、回転体126の回転数は3000rpmとした。なお、複数の非接触環状シール117がそれぞれ有するネジ溝146の条数は、1条、2条、4条、8条、12条である。また、高圧側のネジ溝始まりのネジ溝146の断面積はAとし、低圧側に向けて連続的に断面積を小さくし、低圧側の最終のネジ溝146の断面積Bを0としたものである。[Experiment 2]
A liquid leakage flow simulation was performed on the plurality of non-contact
[比較例2]
比較例2として、図20に示した固定体134に条数の異なるネジ溝144を形成した複数の非接触環状シール115に対して、液体の漏れ流量シミュレーションを行った。シミュレーションの条件として採用した作動流体は水である。また、高圧側と低圧側との圧力差は0.6MPaとし、それぞれの回転体の回転数は3000rpmとした。なお、複数の非接触環状シール117がそれぞれ有するネジ溝144の条数は、1条、2条、4条、8条、12条である。また、ネジ溝144は、一様な断面積Aを有する。[Comparative Example 2]
As Comparative Example 2, a liquid leakage flow simulation was performed on a plurality of non-contact
図13は、実験例2及び比較例2のシミュレーション結果を示すグラフである。縦軸は漏れ量(m3/s)を示す。図13においては、ネジ溝ポンピング効果による漏れ低減量(図中、「ネジ溝ポンピング効果」として示される)と、差圧によりネジ溝内を流路として通過する流体の漏れ量(図中、「ネジ溝内漏れ量」として示される)と、非接触環状シール全体の総漏れ量(図中、「シール漏れ量」として示される)が、条数毎に示されている。ネジ溝ポンピング効果による漏れ低減量(以下、漏れ低減量という)は、差圧によるネジ溝内の漏れ量(以下、ネジ溝内漏れ量という)と逆向きの液体の移動量を示すので、負数で表されている。非接触環状シール全体の総漏れ量(以下、シール漏れ量という)は、漏れ低減量とネジ溝内漏れ量の和に加えて、ネジ溝以外の部分での漏れ量も含んでいる。 FIG. 13 is a graph showing simulation results of Experimental Example 2 and Comparative Example 2. The vertical axis represents the leakage amount (m3 / s). In FIG. 13, the amount of leakage reduction due to the thread groove pumping effect (shown as “thread groove pumping effect” in the figure) and the amount of fluid leakage passing through the thread groove as a flow path due to the differential pressure (in the figure, “ The amount of leakage in the thread groove ”and the total leakage amount of the entire non-contacting annular seal (shown as“ seal leakage amount ”in the figure) are shown for each number of threads. The amount of leakage reduction due to the thread groove pumping effect (hereinafter referred to as leakage reduction amount) indicates the amount of liquid movement opposite to the amount of leakage in the thread groove due to differential pressure (hereinafter referred to as leakage amount in the thread groove). It is represented by The total leakage amount of the entire non-contact annular seal (hereinafter referred to as “seal leakage amount”) includes the leakage amount in portions other than the screw groove in addition to the sum of the leakage reduction amount and the leakage amount in the screw groove.
図示のように、実験例2のシール漏れ量は、ネジ溝の条数が多い方が小さい傾向があることが分かる。一方で、比較例2のシール漏れ量は、ネジの条数が多い方が大きい傾向があることが分かる。即ち、ネジ溝の条数が1条及び2条の場合は、実験例2のシール漏れ量と比較例2のシール漏れ量との差がわずかであるが、ネジ溝の条数が4条以上の場合は、実験例2のシール漏れ量は、比較例2のシール漏れ量に対して格段に小さい。 As shown in the figure, it can be seen that the amount of seal leakage in Experimental Example 2 tends to be smaller when the number of thread grooves is larger. On the other hand, it can be seen that the seal leakage amount of Comparative Example 2 tends to be larger as the number of screws is larger. That is, when the number of thread grooves is 1 and 2, the difference between the seal leakage amount of Experimental Example 2 and the seal leakage amount of Comparative Example 2 is slight, but the number of thread grooves is 4 or more. In this case, the seal leakage amount of Experimental Example 2 is much smaller than the seal leakage amount of Comparative Example 2.
また、実験例2及び比較例2の両方の場合において、漏れ低減量は、ネジ溝の条数が増加するにつれて、ほぼ同様に増加している(つまり、漏れ量が低減している)。 Further, in both cases of Experimental Example 2 and Comparative Example 2, the amount of leakage reduction increases almost similarly as the number of thread grooves increases (that is, the amount of leakage decreases).
一方で、実験例2において、ネジ溝内漏れ量は、ネジ溝の条数が増加しても、1条又は2条のネジ溝内漏れ量と、4条以上のネジ溝内漏れ量は、ほとんど変わらないことが分かる。これに対して、比較例2におけるネジ溝内漏れ量は、ネジ溝の条数が増加するにしたがって、大幅に増加していることが分かる。 On the other hand, in Experimental Example 2, even if the number of threads in the thread groove increases, the amount of leakage in the thread groove of one or two threads and the amount of leakage in the thread groove of four or more threads are as follows. You can see that there is almost no change. On the other hand, it can be seen that the leakage amount in the thread groove in Comparative Example 2 significantly increases as the number of thread grooves increases.
以上の結果から、比較例2では、ネジ溝の条数を増やすことにより、ネジ溝のリード角が大きくなって漏れ低減量が増加する一方で、これを上回るネジ溝内漏れ量の増加が生じ、シール漏れ量を低減することができていないことが分かる。一方で、実験例2では、ネジ溝の条数を増やすことにより生じていたネジ溝内漏れ量の増加を抑制することができている。このため、実験例2では、ネジ溝の条数を増やす(ネジ溝のリード角を大きくする)ことにより生じる漏れ低減量の増加分が、ネジ溝内漏れ量の増加分を上回り、結果としてシール漏れ量を低減することができている。 From the above results, in Comparative Example 2, when the number of thread grooves is increased, the lead angle of the thread groove is increased and the leakage reduction amount is increased, but the leakage amount in the thread groove is further increased. It can be seen that the amount of seal leakage cannot be reduced. On the other hand, in Experimental Example 2, an increase in the amount of leakage in the thread groove, which has been caused by increasing the number of thread grooves, can be suppressed. For this reason, in Experimental Example 2, the increase in the amount of leakage reduction caused by increasing the number of thread grooves (increasing the lead angle of the thread groove) exceeds the increase in the amount of leakage in the thread groove, resulting in sealing. The amount of leakage can be reduced.
図示の結果から、ネジ溝の条数が4条以上の場合に、比較例2のシール漏れ量と実験例2のシール漏れ量との差が非常に大きいことが分かる。この理由は、ネジ溝の条数が4条以上の場合に、実験例2の非接触環状シールにおいて、ネジ溝のポンピング効果が大幅に増加し且つネジ溝内漏れ量の増加を効果的に抑制することができているからである。したがって、本実施形態に係るネジ溝は、4条以上である場合に、その効果が顕著である。換言すれば、ネジ溝の条数が1条又は2条の場合は、実験例2は、比較例2に比べてそれほど顕著な効果がない。 From the results shown in the figure, it can be seen that when the number of thread grooves is 4 or more, the difference between the seal leakage amount of Comparative Example 2 and the seal leakage amount of Experimental Example 2 is very large. The reason for this is that when the number of thread grooves is 4 or more, in the non-contact annular seal of Experimental Example 2, the pumping effect of the thread groove is greatly increased and the increase in the leakage amount in the thread groove is effectively suppressed. Because it is possible. Therefore, the effect is remarkable when the thread groove concerning this embodiment is four or more. In other words, when the number of thread grooves is one or two, Experimental Example 2 is not so effective as Comparative Example 2.
以上のシミュレーション結果より、本実施例による非接触環状シールの軸封特性は、従来の非接触環状シールの軸封特性に比べて良好であることが分かった。また、本実施例による非接触環状シールの軸封特性は、ネジ溝の条数が4条以上の場合に、従来の非接触環状シールの軸封特性に比べて、極めて良好であることが分かった。 From the above simulation results, it was found that the shaft seal characteristic of the non-contact annular seal according to the present example was better than the shaft seal characteristic of the conventional non-contact annular seal. In addition, the shaft seal characteristics of the non-contact annular seal according to this example are extremely good compared to the shaft seal characteristics of the conventional non-contact annular seal when the number of thread grooves is 4 or more. It was.
なお、実験例2及び比較例2では、ネジ溝が固定体に形成された非接触環状シールを用いているが、ネジ溝が回転体に形成された非接触環状シール又はネジ溝が回転体及び固定体に形成された非接触環状シールを用いた場合も、ほぼ同様の結果になることが推測される。 In Experimental Example 2 and Comparative Example 2, a non-contact annular seal in which a thread groove is formed in a fixed body is used. However, a non-contact annular seal or a thread groove in which a thread groove is formed in a rotating body is used as a rotating body and It is presumed that almost the same result is obtained when a non-contact annular seal formed on the fixed body is used.
本発明は、ポンプ等の回転機械の非接触環状シールに利用することができる。 The present invention can be used for a non-contact annular seal of a rotary machine such as a pump.
1…高圧ポンプ
11…主軸
13…カップリング
21a…羽根車
23…吸込口
25…吐出口
31…ケーシング
31a…ケーシング
31b…ケーシング
33…吸込口
35a…第1流路
35b…第2流路
36…低圧側
37…吐出口
38…高圧側
41…非接触環状シール
41a…回転体
41b…固定体
45a…軸受
45b…軸受
114…非接触環状シール
115…非接触環状シール
116…非接触環状シール
117…非接触環状シール
118…非接触環状シール
124…回転体
126…回転体
127…回転体
134…固定体
136…固定体
137…固定体
144…溝
145…溝
146…溝
147…溝
151…回転軸
155…高圧側
156…低圧側
157…山
157a…ランド部
158…断面積
X…対向部位
Y…対向部位
A…矢印
G…隙間
W…溝幅
a0…幅
a1…幅
R0…半径
R1…半径DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記回転機械の固定部に設けられる固定体と、を有し、
前記回転体と前記固定体との隙間を流れる流体をシールするように構成された非接触環状シールであって、
前記隙間を形成する前記回転体の表面及び前記固定体の表面の少なくとも一方に設けられるネジ溝を有し、
前記ネジ溝は、高圧側の前記ネジ溝の断面積が低圧側の前記ネジ溝の断面積よりも大きい領域を有し、
前記ネジ溝の条数は、4条以上である、
非接触環状シール。A rotating body provided in a rotating part of the rotating machine;
A fixed body provided in a fixed portion of the rotating machine,
A non-contact annular seal configured to seal a fluid flowing through a gap between the rotating body and the fixed body,
A screw groove provided on at least one of the surface of the rotating body and the surface of the fixed body forming the gap;
The screw groove has a region where the cross-sectional area of the screw groove on the high-pressure side is larger than the cross-sectional area of the screw groove on the low-pressure side,
The number of threads is 4 or more,
Non-contact annular seal.
前記領域は、高圧側から低圧側に向かって前記ネジ溝の断面積が連続的に小さくなるように形成された縮小領域を有する、
非接触環状シール。A non-contact annular seal according to claim 1,
The region has a reduced region formed so that the cross-sectional area of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side,
Non-contact annular seal.
前記縮小領域は、高圧側から低圧側に向かって前記ネジ溝の深さが連続的に小さくなるように形成された領域を有する、
非接触環状シール。A non-contact annular seal according to claim 2,
The reduced region has a region formed such that the depth of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
Non-contact annular seal.
前記縮小領域は、高圧側から低圧側に向かって前記ネジ溝の幅が連続的に小さくなるように形成された領域を有する、
非接触環状シール。A non-contact annular seal according to claim 2 or 3,
The reduced region has a region formed such that the width of the thread groove continuously decreases from the high pressure side toward the low pressure side.
Non-contact annular seal.
前記縮小領域は、前記ネジ溝の深さと幅の比率が一定となるように形成された領域を有する、
非接触環状シール。A non-contact annular seal according to claims 2 to 4,
The reduced region has a region formed so that the ratio of the depth and width of the screw groove is constant.
Non-contact annular seal.
前記領域は、高圧側から低圧側に向かって断面積が段階的に小さくなるように形成された縮小領域を有する、
非接触環状シール。A non-contact annular seal according to claim 1,
The region has a reduced region formed so that a cross-sectional area gradually decreases from the high pressure side to the low pressure side.
Non-contact annular seal.
前記縮小領域は、高圧側から低圧側に向かって前記ネジ溝の深さが段階的に小さくなるように形成された領域を有する、
非接触環状シール。A non-contact annular seal according to claim 6,
The reduced region has a region formed such that the depth of the thread groove decreases stepwise from the high pressure side toward the low pressure side.
Non-contact annular seal.
前記電動機と連結されて回転可能に構成される主軸と、
前記主軸に嵌合され、該主軸とともに回転可能に構成される羽根車と、
前記羽根車を収容するケーシングと、
前記ケーシングに取り付けられ、前記主軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、
前記主軸は回転部を有し、
前記ケーシングは固定部を有し、
前記回転部及び前記固定部は、請求項1ないし7のいずれか一項に記載された非接触環状シールを有する、回転機械。
An electric motor,
A main shaft connected to the electric motor and configured to be rotatable;
An impeller fitted to the main shaft and configured to be rotatable with the main shaft;
A casing for housing the impeller,
A bearing attached to the casing and rotatably supporting the main shaft;
The main shaft has a rotating part,
The casing has a fixed portion;
The rotating machine and the fixed part are rotating machines having a non-contact annular seal according to any one of claims 1 to 7.
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