JPH0660691B2 - 両回転式準接触メカニカルシール及びリング摺動面の溝加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、たとえばタービンや圧縮機等の気体をシール
する軸封部に用いられる両回転式準接触メカニカルシー
ルおよび摺動面の加工方法に関する。

（従来の技術） 従来のガスシールとしては、回転軸に固定されるメイテ
ィングリングと、ハウジングに取付けられるシールリン
グの摺動面間を５μｍ前後の隙間で完全に浮かせる非接
触式と、２μｍ以下の隙間でわずかに接触しながら漏れ
量を制御する準接触式のものがある。第１７図には非接
触式の代表である摺動面に動圧生成用の螺旋状溝１００
を設けた摺動面１０１を、第１８図には準接触式の代表
例である半径方向溝１０２を形成した摺動面１０３を示
している。いずれも、溝１００，１０２のポンピング効
果によって摺動面の隙間をバランスさせるものである。

これら螺旋状溝１００および半径方向溝１０２は第１７
図(b)および第１８図(b)に示すようにいずれも断面矩形
状に形成されていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら上記した従来技術の場合には、螺旋状溝１
００は高速、高圧条件で使用できるが回転方向が一方向
に限られるという問題があった。一方、半径方向溝１０
２の場合には、両方向回転用として使用可能であるが、
現状では中速、中圧条件の範囲しか使用できない。すな
わち、従来の半径方向溝１０２では十分な浮上力を得る
ことができず、高速回転時に摺動面間が接触して焼付く
おそれがある。

そこで、浮上力を高めるべく、溝１０２の断面形状を第
２０図および第２１図に示すようにテーパー面１０４
Ｌ，１０４Ｒ構成として、そのくさび作用により動圧を
高めることが考えられる。

しかしながら、このようなテーパー面１０４Ｌ，１０４
Ｒの構成としても、ガスの流れの上流側のテーパー面１
０４Ｌの部分で負圧が発生し、下流側のテーパー面１０
４Ｒで圧力が増大しても両方が相殺されて浮上力を高め
ることができなかった。

本発明は上記した従来技術の課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、半径方向溝の断
面形状をテーパー面として回転時に発生する動圧を高
め、しかも負圧の影響を小さくし得る両回転式準接触メ
カニカルシールを提供することにある。

また、他の目的とするところは、上記半径方向溝の加工
方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明にあっては、回転軸
に取付けられるメイティングリングと、ハウジングに取
付けられ上記メイティングリングに対して摺動自在に接
触するシールリングとを備え、上記メイティングリング
またはシールリングの摺動面に、両リングの摺動面間に
浮上力を働かせるための動圧生成用の半径方向溝を円周
方向に複数設けた両回転式準接触メカニカルシールにお
いて、 前記半径方向溝の断面形状を円周方向に傾斜するテーパ
ー形状とし、互いに隣り合う一対の半径方向溝のテーパ
ーの向きを両半径方向溝の境界部が谷となるように互い
に逆向きに配列して１組の動圧生成用溝組を構成し、該
動圧生成用溝組を構成する半径方向溝の境界部に両半径
方向溝を隔てるダム部を設けてなることを特徴としてい
る。

また、本発明の溝加工方法は、リングの摺動面に断面円
弧状の半径方向に延びるオーバル溝を形成し、その後オ
ーバル溝の谷部にダム部を形成することを特徴としてい
る。ダム部はアモルファスコーティングにより形成する
ことが好ましい。

（作 用） 上記構成の両回転式準接触メカニカルシールは、回転軸
が一方向に回転すると、半径方向溝の作用により動圧が
発生してメイティングリングとシールリングの摺動面間
に浮上力が生じ、摺動面間に隙間ができる。この隙間を
流れるガス流は円周方向に流れ、動圧生成用溝組の下流
側の半径方向溝のテーパー面のくさび作用によりガス圧
が増大し大きな浮力が生じる。一方、上流側の半径方向
溝の部分では負圧が生じるものの、ダム部によって両半
径方向溝が隔てられているので下流側の正の浮力より小
さく、結果として摺動面間に作用する浮力が増大する。
回転軸が回転した場合も同様に浮力を増大させることが
できる。

また、本発明の溝加工方法によれば、摺動面に円弧状の
オーバル溝を加工した後、ダム部を形成するので、溝加
工を容易に、かつ精密に加工することができる。

（実施例） 以下に本発明を図示の実施例に基づいて説明する。本発
明の一実施例に係る両回転式準接触メカニカルシールを
示す第１図乃至第４図において、１はシール全体を示し
ており、概略回転軸２に固定されるメイティングリング
３と、ハウジング４に取付けられるシールリング５とか
ら構成されている。メイティングリング３が密封対象と
なるガスＧ側に配置され、ガスが摺動面の外周側から内
周側に漏れるように構成されている。

メイティングリングは保持部材６を介して回転軸２に対
して軸方向および回転方向に固定されるもので、保持部
材６とメイティングリング３背面との間には密封用のＯ
リング１０が装着されている。

一方、シールリング５は回転方向には固定で軸方向には
可動に取付けられ、スプリング８のばね力によってメイ
ティングリング３に対して押圧されている。このスプリ
ング８はコンプレッションリング９を介してシールリン
グ５を押圧している。そしてコンプレッションリング９
とシールリング５との間に、シール用のリング１０が装
着されている。

上記メイティングリング３とシールリング５との対向面
は軸に対して直交する平坦面で、互いに回転摺動する摺
動面３１，５１となっている。この摺動面３１，５１間
にてガスＧがシールされるようになっている。そして、
メイティングリング３またはシールリング５のいずれか
の摺動面、この実施例ではメイティングリング３の摺動
面３１に、回転時に動圧を発生させる半径方向溝１１
Ｒ，１１Ｌが円周方向に複数設けられている。この半径
方向溝１１Ｌ，１１Ｒはメイティングリング３の外径側
から内径側に向けて、その中途位置まで延びており、摺
動面３１の内径端縁の領域が溝の無い溝無し領域３２と
なっている。したがって、回転軸２の停止中は溝無し領
域３２においてシールリング５の摺動面５１と全周にわ
たって密接してガスをシールし、回転時には半径方向溝
１１Ｒ，１１Ｌによって動圧が生成され、摺動面３１，
５１間に浮力を働かせるようになっている。

そして、上半径方向溝１１Ｌ，…のうち互いに隣り合う
一対の半径方向溝１１Ｌ，１１Ｒを１組として、複数組
の動圧生成用溝組１２，…が構成されている。この動圧
生成用溝組１２の両半径方向溝１１Ｌ，１１Ｒは、その
境界部が谷となるように円周方向に沿って互いに向きの
テーパー面１２Ｌ，１２Ｒを有しており、境界部には両
半径方向溝１１Ｌ，１１Ｒを隔てるダム部１３が設けら
れている。この実施例では各半径方向溝１１Ｌ，１１Ｒ
は、そのテーパー面１２Ｌ，１２Ｒを斜辺とする直角三
角形状で、動圧生成用溝組１２全体の断面形状は、開き
角度が大きく開いたＶ字溝の谷部にダム部１３が突出し
たような形状となっている。各半径方向溝１１Ｌ，１１
Ｒの形状としては、この実施例では直線状のテーパー面
１２Ｌ，１２Ｒを形成しているが、曲面としてもよい
し、階段状に傾斜するような構成としてもよい。

上記構成の両回転式準接触メカニカルシールにあって
は、回転軸２が一方に回転すると、各動圧生成用溝組１
２，…の作用によってシールリング５とメイティングリ
ング３の摺動面３１，５１間に動圧が発生し、摺動面３
１，５１間に浮力が作用して隙間ｈが発生する。このと
きに隙間ｈを流れるガスＧの動圧の圧力分布は、第４図
に示すようにガス流の上流側の半径方向溝１１Ｒにおい
て圧力が低下して負の浮力が作用し、ダム部１３を越え
た下流側の半径方向溝１１Ｌの部分でテーパー面１２Ｌ
のくさび作用によって圧力が増大して正の浮力が発生す
る。そして、ダム部１３の作用によって負の圧力は小さ
く、正の圧力が大きくなり、この動圧生成用溝組１２全
体としては正の圧力が作用し、大きな浮力を得ることが
できる。したがって、両リング３，５の摺動面３１，５
１間の隙間ｈを大きくでき高速、高圧の軸封部に適用す
ることが可能となる。

第５図は回転時の圧力分布を第４図よりもより模式化し
て示したもので、ガス流下流側のテーパー面１２Ｒによ
って正圧が増大し、上流側のテーパー面１２Ｌによる圧
力低下が小さく、正回転時と同様に大きな浮力を得るこ
とができる。

第６図乃至第９図は、このような両回転式準接触メカニ
カルシールの種々の適用例を示している。

第６図は２個のシール１，１を同一方向に並べたタンデ
ムタイプの使用例である。この例は、２個のシール１，
１を１つのカートリッジ２０に組込んだもので、シール
１，１の他に、カートリッジ２０にセグメントシール２
１を装着して使用する。カートリッジ２０は、ハウジン
グ２２に固定される第１，第２シールケース２２，２３
と、回転軸２に固定される第１，第２スリーブ２４，２
５から構成されている。そして、第１シールケース２２
と第１スリーブ２４により一方のシール１が、第２シー
ルケース２と第２スリーブ２５により他方のシール１が
それぞれ保持される。第２シールケース２３は第１シー
ルケース２２に同芯的に組付けられ、第１スリーブ２４
と第２スリーブ２５はその端部同士が一体的に組付けら
れている。

そして、各シール１，１は第１，第２シールケース２
２，２３に取付けられるシールリング５，５と第１，第
２スリーブ２４，２５に組付けられるメイティングリン
グ３，３により構成され、メイティングリング３の摺動
面に本発明の上記した互いに逆向きテーパーを有する一
対の半径方向溝１１Ｌ，１１Ｒを１組とし、境界部にダ
ム部１３を設けた複数組の動圧生成用溝組１２，…が形
成されている。

第７図は一般的な用途に用いられるもので、機器ハウジ
ング４に取付けられるシールリング５と、回転軸２に固
定されるメイティングリング３とから構成されている。
そしてメイティングリング３は保持部材６を介して回転
軸２に固定され、シールリング５はカップ部材３０を介
してハウジング４に取付けられるもので、ラグ３１によ
って回転方向には固定で軸方向には可動となっている。
そしてスプリング８によってシールリング５がメイティ
ングリング３に押圧されている。そして、メイティング
リング３の摺動面３１に本発明の動圧生成用溝組１２，
…が形成されている。

第８図は基本的な構成は第７図に示すシールと同じであ
るが、この実施例ではシールリング４５とメイティング
リング４３が分割タイプであり、シールリング４５の軸
方向摺動部のシールとしてセグメントシール４６を用い
ている。この場合もメイティングリング４３の摺動面３
１に、本発明の互いに逆向きテーパーを有する一対の半
径方向溝１１Ｌ，１１Ｒを１組とし、その境界部にダム
部１３を設けた動圧生成用溝組１２，…を形成してい
る。

第９図は漏れ量がゼロのタイプで、シールリング５５の
摺動面５１にドレイン穴５６が設けられ、このドレイン
穴５６から漏れ出すガスを吸引し、ドレインチューブ５
７を通じてドレインに流すもので、大気側に密封ガスが
漏れ出さないような構成としたものである。この場合に
も、メイティングリング５３の摺動面３１に、互いに逆
向きテーパーを有する一対の半径方向溝１１Ｌ，１１Ｒ
を一組とし、その境界部にダム部１３を設けた動圧生成
用溝組１２…を形成してある。

第１０図乃至第１２図には動圧生成用溝組の他の実施例
を示している。この動圧生成用溝組１２′もメイティン
グリング３の摺動面３１に形成するもので、互いに逆向
きのテーパーを有する一対の半径方向溝１１Ｌ′，１１
Ｒ′を一組として構成され、その境界部にダム部１３が
設けられている。そして、この実施例の場合には、各半
径方向溝１１Ｌ′，１１Ｒ′のテーパー面１２Ｌ′，１
２Ｒ′が断面円弧状の曲面構成となっている。そして、
両テーパー面１２Ｌ′，１２Ｒ′が連続する１つの円弧
面を構成するようになっている。

この実施例の場合にも、動圧生成用溝組１２′，…にお
いて発生するガスの動体圧力により、摺動面３１，５１
間に微小隙間ができ、非接触状態で回転する。すなわ
ち、回転軸２に固定されたメイティングリング３が回転
し、回転速度が増加するに伴って、流体動圧により開方
向圧力も増大し、摺動面３１，５１間に一定の隙間が発
生する。

そして、本実施例の溝形状の場合にも、第１２図に示す
ようにガス流の上流側となる図中左側の半径方向溝１１
Ｌ′には負の圧力（真空になる方向）も発生するが、そ
の圧力は最低でも１kg/cm²であり、回転速度が増加すれ
ばこの負の圧力に打ち勝つような正の動体圧力もガス流
の下流側（図中右側）の半径方向溝１１Ｒ′の終端に発
生する。そして動圧生成用溝組１２′の中央部にダム部
１３を設けたことにより、左側の溝１１Ｌ′に発生した
負圧は、右側の溝１１Ｒ′に流入するのを防止する。逆
回転の場合にも、動作原理は全く同様であり、溝部に発
生する負の圧力と正の動体圧力の発生位置が逆になるだ
けで、同様の動作機能が得られる。

第１３図乃至第１６図には本発明のリング摺動面溝加工
方法を示している。この実施例では、第１０図に示した
円弧面の断面を有するる動圧生成用溝１２′を加工する
場合を例にとって説明する。

まず、第１３図に示すように、メイティングリング３側
の摺動面３１上にＲが大の浅い断面円弧状のオーバル溝
６０を形成する。このオーバル溝６０は半径方向に直線
的に形成する。

次に、上記オーバル溝６０の表面を研磨仕上げする。こ
のオーバル溝６０の深さは、たとえば数十ミクロンのオ
ーダーであり、溝表面の仕上げは極めて精密に仕上げる
必要がある。

次いで、オーバル溝６０の中央部に、スパッタリングに
よりアモルファスコーティングを行なって肉盛りをし、
ダム部１３を形成する。このダム部１３の形成にアモル
ファスコーティングを使用した理由は、ダム部１３の幅
と深さが自由に設定でき、しかもアモルファスコーティ
ングが耐摩耗性に優れ、摩擦係数が極めて小さい特質を
有するからである。

アモルファスコーティングは、不活性のアルゴンガス雰
囲気下において、アモルファス母材６１を陽極に、コー
ティングすべき摺動面３１側を陰極にして放電させて母
材６１をダム部の位置に被覆させるようになっている。
摺動面３１にはオーバル溝６０の中央のダム構成部以外
をマスキング部材６２によってマスキングしておく。

アモルファスコーティング終了後、第１６図に示すよう
にマスキング部材６２を取り除いてダム部１３を整形
し、動圧生成用溝組１２が完成する。

このようにオーバル溝６０を形成した後で、ダム部１３
を取付けるようにすれば、数十ミクロンの溝の深さが要
求されるガスシールにおいては、加工が極めて容易に、
かつ精密に加工することができる。

因みに第１図に示したような直線的な溝形状の加工は、
放電加工により行なわれるが、表面に凹凸が生じて精密
に加工することが難しい。テーパー面１２Ｒ，１２Ｌの
加工精度がシールの特性には極めて重要であり、この発
明の加工方法のように、オーバル溝６０を形成した後で
ダム部１３を形成するようにすれば、高精度に、しかも
簡単に加工することができ、有利である。

（発明の効果） 本発明は以上の構成および作用を有するもので、円周方
向に互いに逆向きに傾斜する一対の半径方向溝により動
圧生成用溝組を構成し、この動圧生成用溝組の境界部に
ダム部を設けることにより、一方の半径方向溝のテーパ
ー面によるくさび作用によって動圧を増大させると共に
ダム部によって他方の半径方向溝に生じる負の浮力を小
小さくすることができるので、摺動面間に作用する浮力
を従来に比べて増大させることができ、高圧、高速用の
両回転式準接触メカニカルシールを実現することができ
る。

また、本発明の溝加工方法によれば、単純な円弧状のオ
ーバル溝の谷部に、アモルファスコーティング等により
ダム部を形成することにより、加工を極めて容易にしか
も高密度に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の一実施例に係る両回転式準
接触メカニカルシールを示すもので、第１図は摺動面の
動圧生成用溝組の断面形状を示す要部縦断面図、第２図
は摺動面の要部平面図、第３図は全体構成を示す要部縦
断面図、第４図および第５図は正転および逆転時の圧力
分布を誇張して示す模式図、第６図乃至第９図は本発明
の動圧生成用溝組が形成される両回転式準接触メカニカ
ルシールの各種適用例を示す要部縦断面図、第１０図お
よび第１１図は本発明の動圧生成用溝組の他の実施例を
示すもので、第１０図は第１１図のＸ−Ｘ線断面図、第
１１図は要部平面図、第１２図は第１０図の溝組の圧力
分布状態を示す図、第１３図乃至第１６図は第１０図の
リング摺動面の溝加工工程を示す図、第１７図は従来の
非接触メカニカルシールの摺動面を示しており、同図
(a)は平面図、同図(b)は同図(a)のａ−ａ線断面図、第
１８図は従来の両回転式準接触メカニカルシールの摺動
面を示しており、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図
(a)のｂ−ｂ線断面図、第１９図は矩形断面の溝による
動圧の圧力分布を示す図、第２０図および第２１図は第
１８図の溝を両方向テーパー形状とした場合の圧力分布
を示す図である。 符号の説明 ２……回転軸、３……メイティングリング ４……ハウジング、５…シールリング ３１，５１……摺動面 ８……スプリング、７，１０……Ｏリング ９……コンプレッションリング １１Ｌ，１１Ｒ……半径方向溝 １２……動圧生成用溝組 １２Ｒ，１２Ｌ……テーパー面 １３……ダム部、６０……オーバル溝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸に取付けられるメイティングリング
   と、ハウジングに取付けられ上記メイティングリングに
   対して摺動自在に接触するシールリングとを備え、上記
   メイティングリングまたはシールリングの摺動面に、両
   リングの摺動面間に浮力を働かせるための動圧生成用の
   半径方向溝を円周方向に複数設けた両回転式準接触メカ
   ニカルシールにおいて、 互いに隣り合う一対の半径方向溝を一組として複数組の
   動圧生成用溝組を構成し、該動圧生成用溝組を構成する
   半径方向溝を境界部が谷となるように円周方向に沿って
   互いに逆向きのテーパー形状とし、境界部に両半径方向
   溝を隔てるダム部を設けて成ることを特徴とする両回転
   式準接触メカニカルシール。
2. 【請求項２】リング摺動面に断面円弧状の半径方向に延
   びるオーバル溝を形成し、その後でオーバル溝の谷部に
   ダム部を形成することを特徴とするリング摺動面の溝加
   工方法。
3. 【請求項３】ダム部をアモルファスコーティングにより
   肉盛して形成する請求項２に記載のリング摺動面の溝加
   工方法。