JP3735180B2

JP3735180B2 - フローティングリングシール構造

Info

Publication number: JP3735180B2
Application number: JP10370597A
Authority: JP
Inventors: 前川　　和彦; 真太郎渡辺; 明士小池
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2017-04-21
Also published as: JPH10299905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超大型震動台等に用いられる各種流体機器において水や油などの高圧流体が機外へ流出することを防ぐための漏洩防止装置として用いて好適なフローティングリングシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来のフローティングリングシール構造を第１従来例として模式的に示す断面図である。この図４において、ケーシング０５内には高圧流体０１０（圧力Ｐ１）が存在しており、このケーシング０５と、ケーシング０５を貫通するように配設され軸方向に沿って回転または往復運動をする軸０４との間に、ケーシング０５側と一体となるように係止リング０３が配設され、この係止リング０３によって、高圧側流体０１０（圧力Ｐ１）と機外０１１（圧力Ｐ０、機外が大気の場合にはＰ０＝０）とが区画されている。又、係止リング０３と軸０４との間には、フローティングリングシール０１が、その低圧側側面０１ｄを係止リング０３の高圧側側面０３ａに当接させた状態で、その内周面０１ａと軸０４との間に僅かな隙間Ｃを有するようにして遊嵌されている。
【０００３】
なお、図４中の符号０１ｂはフローティングリングシール０１の高圧側側面を示す。
このような構成により、フローティングリングシール０１の、内周面０１ａと、運動する軸０４との間に形成される隙間Ｃを小さく設定することにより、高圧流体０１０の、機外０１１への漏洩量を低減させることができる。なお、通常隙間Ｃの大きさは、例えば、軸の直径が５００ｍｍ程度のとき約０．２ｍｍ程度に設定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のフローティングリングシール構造には、高圧流体０１０がフローティングリングシール０１を係止リング０３に押しつける力が大きくなり過ぎた場合に、フローティングリングシール０１が変形し易く、そのためフローティングリングシール０１が軸０４に接触して損傷を起こし、この損傷が軽微な場合には高圧流体０１０の漏洩量が増加し、更に、この損傷が大きな場合には機器の運転が停止に至るおそれもあり、以下にその詳細を示す。
【０００５】
図５は上述の第１従来例で示したフローティングリングシールの端面に作用する圧力を説明するための断面図であるが、図５（ａ）に示すように、側面の半径方向の厚さｔのフローティングリングシール０１では、高圧側側面０１ｂには全面に均等に高圧側流体圧力Ｐ１が作用し、低圧側側面０１ｄには外周側では圧力Ｐ１、内周側では圧力ゼロとなる圧力勾配が発生する。従って、両者を合成すると、フローティングリングシール０１は、図５（ｂ）に示すような圧力で係止リング０３に押し付けられていることになる。
【０００６】
さて、フローティングリングシール０１の内周面０１ａと、運動する軸０４との間に形成される隙間Ｃが周方向で不均一となった場合は、隙間の小さい部分に高い圧力が発生して隙間を大きくしようとする自動調心作用が働き、隙間Ｃは均一に保持されるのであるが、高圧流体０１０の圧力が高く、フローティングリングシール０１を係止リング０３に押し付けられる力が大き過ぎる場合には、低圧側側面０１ｄと係止リング０３との間に作用する摩擦力が大きくなるために、この摩擦力によって自動調心作用は妨げられ、隙間Ｃの狭い部分は回復されず、フローティングリングシール０１の内周面０１ａと、運動する軸０４とが接触して、損傷を起こすことになる。この損傷が軽微な場合には高圧流体０１０の漏洩量が増加し、更に、この損傷が大きな場合には機器の運転が停止に至ることも考えられる。
【０００７】
上記の課題に対する対策として従来用いられている方法を、図６と図７にフローティングリングシール構造の第２従来例として模式的に示す。図６はフローティングリングシールの端面に作用する力を説明するための断面図であり、図７はフローティングリングシールの内周面及び外周面に作用する力を説明するための模式的な断面図である。
【０００８】
フローティングリングシール０２は、図６（ａ），（ｂ）及び図７に示すように、側面の半径方向の厚さｔのうち低圧側側面０２ｄを外周面０２ｃから半径方向に向かって長さｔ′の範囲で全周にわたって切り欠いてあり（符号０２ｅ参照）、高圧流体０１０が、フローティングリングシール０２の低圧側側面０２ｄと係止リング０３の高圧側側面０３ａとの間隙に入り込めるようにしたものである。この種のフローティングリングシール０２の使用により、フローティングリングシール０２を係止リング０３へ押し付ける、押付力Ｐ１は、周方向単位幅当り１／２×Ｐ１×（ｔ−ｔ′）となり、これによりフローティングリングシール０２を係止リング０３に押し付ける力の低減が可能となる。
【０００９】
ところが、図７に示すように、フローティングリングシール０２の外周面０２ｃに作用する油圧（圧力）分布と内周面０２ａに作用する油圧（圧力）分布との不均衡状態により、フローティングリングシール０２の形状が、内周面０２ａと軸０４との間に形成される隙間Ｃにおいて、低圧側の方の隙間が小さくなるような姿勢に変形する。更に、本来ならばフローティングリングシール０２の変形時に係止リング０３に接して支点となるべき外周面の低圧側の辺０２ｅが切り欠かれているため、このように切り欠きを設けたフローティングリングシール０２を、係止リング０３により支持することができない。従って、フローティングリングシール０２の変形は更に進行し、隙間Ｃにおいて低圧側の隙間がさらに小さくなるため、遂には、フローティングリングシール０２の内周面０２ａと運動する軸０４とが接触して損傷を起こす可能性があり、前述のように、この損傷が軽微な場合には高圧流体０１０の漏洩量が増加し、更に、この損傷が大きな場合には機器の運転が停止に至ることも考られるのである。
【００１０】
なお、図６，図７において、図４，図５と同じ符号はほぼ同様の部分を示している。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、フローティングリングシールを係止リングに押し付ける力の低減をはかりつつ、且つ、フローティングリングシールの変形を助長することのないような工夫を施すことにより、高圧流体がフローティングリングシールを係止リングへ押し付ける力が強くなり過ぎた場合でも、フローティングリングシールが変形しにくく、それによってフローティングリングシールと軸体との接触が起こりにくく、しいては高圧流体の低圧側への漏洩量の増加や、機器の運転停止を防止できるようにした、フローティングリングシール構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明のフローティングリングシール構造は、ケーシングを貫通するように配設された軸体に隙間を有して遊嵌されたフローティングリングシールと、該ケーシング側と一体となり該フローティングリングシールの低圧側側面と接して該フローティングリングシールを係止する係止リングとからなり、該フローティングリングシールの外周面に高圧側雰囲気の高圧がかかって上記のフローティングリングシールと軸体との隙間から高圧流体が機外へ漏洩するのを防ぐフローティングリングシール構造において、該フローティングリングシールにおける該係止リングと接触する低圧側面部に、高圧流体を導く圧力バランス溝が設けられ、該圧力バランス溝が、低圧側側面部に設けられた少なくとも１本の円周溝と、該円周溝から外周面方向に延びて円周溝に高圧流体を導く複数本の直線溝とから構成されていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態としてのフローティングリングシール構造について説明すると、図１〜図３は本発明の一実施形態としてのフローティングリングシール構造を示すもので、図１はその模式的断面図、図２はそのフローティングリングシールの低圧側端面を部分的に示す図、図３はそのフローティングリングシールの端面に作用する力を説明する断面図である。
【００１３】
さて、本実施形態にかかるフローティングリングシール構造では、図１に示すように、高圧流体１０（圧力Ｐ１）を内蔵するケーシング５と、このケーシング５を貫通するように配設され軸方向に沿って回転または往復運動をする軸（軸体）４との間に、ケーシング５側と一体となるように係止リング３が配設されており、この係止リング３によって、高圧流体１０（圧力Ｐ１）と機外１１（圧力Ｐ０、機外が大気の場合にはＰ０＝０）とが区画されている。又、係止リング３と軸４との間には、フローティングリングシール１が、その低圧側側面１ｄと係止リング３の高圧側側面３ａとを当接させながら、その内周面１ａと軸４との間に僅かな隙間Ｃを有するようにして遊嵌されている。なお、これらの構成は図４に示す従来例とほぼ同様である。
【００１４】
ところで、このフローティングリングシール１の、係止リング３と接触する低圧側側面１ｄには、図２に示すように、係止リング３の高圧側側面３ａとフローティングリングシール１の低圧側側面１ｄとの間に高圧流体１０を導くために、圧力バランス溝１２が形成されており、この圧力バランス溝１２は、円周溝１ｈと、この円周溝１ｈとフローティングリングシール１の外周面１ｃとを連結する複数本の直線溝１ｇとによって構成されている。そして、フローティングリングシール１は、低圧側側面１ｄからこれらの圧力バランス溝１２を除いた部分であるランド部１ｋにおいて係止リング３の高圧側側面３ａに当接するようになっている。なお、これらの圧力バランス溝１２の深さは、深過ぎるとシールの強度が低下し、又、浅過ぎると流体の浸透が悪くなるため、適度の深さに設定されるが、例えば軸の直径が５００ｍｍ程度の場合では、溝の深さは０．５〜１．０ｍｍ程度が適当である。又、直線溝１ｇの本数は、シールサイズにより異なるが、周方向３００ｍｍ毎に１本程度が適当である。
【００１５】
なお、図２中においてｔ″は、フローティングリングシール１の外周面１ｃから円周溝１ｈの円周側端部までの長さであり、従来例に示した切欠き部の長さｔ′とほぼ等しい値であるが、このｔ″は、これに限定されるものではなく、ｔ′の値と違ってもよい。
上述の構成により、図３（ａ）に示すように、半径方向の厚さがｔの側面において、フローティングリングシール１の高圧側側面１ｂには全面に均等に高圧側流体１０の圧力Ｐ１が作用する一方、フローティングリングシール１の低圧側側面１ｄには、フローティングリングシール１の外周面１ｃから半径方向に向かってｔ″までの区間には均等に高圧流体１０の圧力Ｐ１が作用し、残りのｔ″からｔまでの区間には、係止リング３の高圧側側面３ａからの反力が発生するのであるが、その係止リング３の高圧側側面３ａからの反力は、フローティングリングシール１の外周面１ｃから半径方向に向かってｔ″の位置では圧力Ｐ１で、フローティングリングシール１の内周面１ａ側では圧力ゼロとなるような圧力勾配となる。従って、フローティングリングシール１の両側面に作用する圧力を合成すると、図３（ｂ）に示すように、フローティングリングシール１の高圧側側面１ｂに対して、内周面１ａから（ｔ−ｔ″）の区間に対してのみ、フローティングリングシール１の内周面１ａ側で圧力Ｐ１であり内周面１ａから（ｔ−ｔ″）の位置で圧力ゼロとなるような圧力勾配を持った力が作用することになる。
【００１６】
フローティングリングシール１は、上述のような圧力により係止リング３に押し付けられており、圧力バランス溝１２を形成しない場合に作用する周方向単位幅当り圧力１／２×Ｐ１×ｔと比較すると、圧力１／２×Ｐ１×ｔ″だけ低減でき、この圧力はｔ″の値を変えることにより調整が可能である。従って、ｔ″の値を大きくすることにより、フローティングリングシール１を係止リング３に押しつける力を小さくすることができ、その結果フローティングリングシール１の低圧側側面１ｄと係止リング３との間に作用する摩擦力を小さくすることができる。
【００１７】
このように、本発明の一実施形態としてのフローティングリングシール構造によれば、従来と同様にフローティングリングシール１の低圧側側面１ｄと係止リング３の高圧側側面３ａとの間に、圧力バランス溝１２により高圧流体１０が導かれるため、フローティングリングシール１の高圧側側面１ｄに作用する力に対して、フローティングリングシール１の低圧側側面１ｄにこれを押し返す力が作用する。この力により、フローティングリングシール１の低圧側側面１ｄが係止リング３の高圧側側面３ａに押し付けられる力が小さくなるため、フローティングリングシール１の低圧側側面１ｄと係止リング３の高圧側側面３ａとの間に作用する摩擦力は小さくなる。これにより、フローティングリングシール１の内周面１ａと軸４との間に形成される隙間が周方向で不均一となった場合に作用する、隙間が小さい部分に高い圧力を付加して隙間を大きくしようとする自動調心作用が、この摩擦力によって妨げられることなく十分に発揮されるので、フローティングリングシール１の内周面１ａと、運動する軸４との間隙が均一に保たれる。その結果、フローティングリングシール１の内周面１ａと、運動する軸４との接触により発生するフローティングリングシール１の損傷が防止でき、高圧流体の低圧側への漏洩量の増加や機器の運転停止を防止することができるほか、更に、フローティングリングシール１の外周面１ｃに作用する圧力分布と、フローティングリングシール１の内周面１ａに作用する圧力分布との不均衡状態により、フローティングリングシール１の形状が、フローティングリングシール１の内周面１ａと軸４との間に形成される隙間Ｃにおいて、その隙間Ｃの低圧側が小さくなるような姿勢に変形しようとする場合にも、フローティングリングシール１の低圧側側面のランド部１ｋが係止リング３と当接してフローティングリングシール１を支持することにより、フローティングリングシール１の姿勢の変形を抑止する。この結果、フローティングリングシール１の内周面１ａと、運動する軸４との間に形成される隙間Ｃは一定の間隙を維持することができ、この観点からも、フローティングリングシール１の内周面１ａと、運動する軸４との接触により発生するフローティングリングシールの損傷を防止し、高圧流体１０の低圧側への漏洩量の増加や機器の運転停止を防止することができるのである。
【００１８】
なお、上記実施形態では、圧力バランス溝１２の形状は、１本の円周溝１ｈと、複数本の直線溝１ｇとによって構成されているが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明とその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のフローティングリングシール構造によれば、フローティングリングシールと軸体との間に形成される隙間を小さく設定することにより、高圧側流体の、低圧側への漏洩量を低減させることができるほか、フローティングリングシールにおける、係止リングと接触する低圧側面に、少なくとも一本の円周溝とこの円周溝から外周面方向に延びる複数本の直線溝とで構成され、高圧流体を導く圧力バランス溝を設けることにより、フローティングリングシールの内周面と軸体との間に形成される隙間を均一に保とうとする自動調心作用を十分に発揮させ、更に、フローティングリングシールの変形をも抑止するので、フローティングリングシールの内周面と軸体との間隙を一定に保ち、フローティングリングシールの内周面と運動する軸とが接触することによって発生するフローティングリングシールの損傷を防止し、高圧流体の低圧側への漏洩量の増加や機器の運転停止を防止できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてのフローティングリングシール構造の模式的断面図である。
【図２】本発明の一実施形態としてのフローティングリングシール構造におけるフローティングリングシールの低圧側端面を部分的に示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）はいずれも、本発明の一実施形態としてのフローティングリングシール構造におけるフローティングリングシールの端面に作用する力を説明するための断面図である。
【図４】第１従来例としてのフローティングリングシール構造におけるフローティングリングシールの端面に作用する力を説明するための模式的な断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）はいずれも、第１従来例としてのフローティングリングシール構造におけるフローティングリングシールの端面に作用する力を説明するための断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）はいずれも、第２従来例としてのフローティングリングシール構造におけるフローティングリングシールの端面に作用する力を説明するための断面図である。
【図７】第２従来例としてのフローティングリングシール構造におけるフローティングリングシールの内周面及び外周面に作用する力を説明するための模式的な断面図である。
【符号の説明】
１フローティングリングシール
１ａフローティングリングシール内周面
１ｂフローティングリングシール高圧側端面
１ｃフローティングリングシール外周面
１ｄフローティングリングシール低圧側端面のランド部
１ｇ直線溝
１ｈ円周溝
１ｋランド部
３係止リング
４軸
５ケーシング
１０高圧流体
１１大気
１２圧力バランス溝

Claims

ケーシングを貫通するように配設された軸体に隙間を有して遊嵌されたフローティングリングシールと、該ケーシング側と一体となり該フローティングリングシールの低圧側側面と接して該フローティングリングシールを係止する係止リングとからなり、該フローティングリングシールの外周面に高圧側雰囲気の高圧がかかって上記のフローティングリングシールと軸体との隙間から高圧流体が機外へ漏洩するのを防ぐフローティングリングシール構造において、
該フローティングリングシールにおける該係止リングと接触する低圧側面部に、高圧流体を導く圧力バランス溝が設けられ、該圧力バランス溝が、低圧側側面部に設けられた少なくとも１本の円周溝と、該円周溝から外周面方向に延びて円周溝に高圧流体を導く複数本の直線溝とから構成されていることを特徴とする、フローティングリングシール構造。