(57)【要約】【課題】高速，高圧条件下においても封水の脈動現象の発生を可及的に防止しうるタンデムシールを提供する。【解決手段】メカニカルシール４，５間のシール空間Dに封水７を循環供給するする給排水手段が、給水通路７２に連通する環状の給水溝７５と、排水通路７４に連通する環状の排水溝７６と、これら給排水溝７５，７６の開口部を閉塞シールするシャワーリング７７と、シャワーリング７７に形成された複数の給水孔７８及び排水孔７９とを具備して、給水通路７２から給水溝７５に供給された封水７を全給水孔７８からシール空間Dに供給すると共にシール空間D内の封水７を全排水孔７９から排水溝７６を経て排水通路７４へと排出することによって、シール空間Dにおける循環供給に伴う封水７の脈動現象を抑制するように構成されている。【選択図】図１
2010223332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定された回転密封環と回転軸が洞貫するシールケースに軸線方向移動可能に保持され且つ回転密封環へと押圧附勢された静止密封環との対向端面たる密封端面が相対回転摺接するように構成された一対のメカニカルシールであって、被密封流体領域側メカニカルシールと大気領域側メカニカルシールとをタンデム配置し、両メカニカルシール間に形成されたシール空間に、被密封流体領域側メカニカルシールにおける密封端面の外径側領域である被密封流体領域より低圧であり且つ大気領域側メカニカルシールにおける密封端面の内径側領域である大気領域より高圧である封水を循環供給するように構成された高速回転機器用軸封装置であって、
シール空間に封水を循環供給する給排水手段を、シールケースに形成されてシールケース外の給水ラインに接続された給水通路と、シールケースに形成されてシールケース外の排水ラインに接続された排水通路と、シールケースの内周面に形成されて給水通路に連通する環状の給水溝と、シールケースの内周面に形成されて排水通路に連通する環状の排水溝と、これら給排水溝の開口部を閉塞シールすべくシールケースの内周面に取り付けられたシャワーリングと、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝に連通する給水孔と、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝に連通する排水孔とを具備して、給水通路から給水溝に供給された封水を全給水孔からシール空間に供給すると共にシール空間内の封水を全排水孔から排水溝を経て排水通路へと排出することによって、シール空間における循環供給に伴う封水の脈動現象を抑制するように構成したことを特徴とする高速回転機器用軸封装置。
【請求項２】
給水孔が大気領域側メカニカルシールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されると共に、排水孔が大気領域側メカニカルシールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されていることを特徴とする、請求項１に記載する高速回転機器用軸封装置。
【請求項３】
給水孔が大気領域側メカニカルシールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されると共に、排水孔が大気領域側メカニカルシールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されていることを特徴とする、請求項１に記載する高速回転機器用軸封装置。
【請求項４】
給水通路が、給水ラインに連通する環状の給水ヘッダ室と、給水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された給水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路とを具備するものであり、排水通路が、排水ラインに連通する環状の排水ヘッダ室と、排水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された排水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路とを具備するものであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載する高速回転機器用軸封装置。
【請求項５】
回転軸の軸線を通過する断面において給水連絡通路と排水連絡通路とがＸ字状にクロスした形態で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載する高速回転機器用軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸が高速回転される高速回転機器（例えば、原子力発電システム等において使用される蒸気圧縮機，コンプレッサ，ブロワ，ポンプ，攪拌機等）に使用される軸封装置であって、特に、タンデム配置された一対の端面接触形メカニカルシール間に形成されるシール空間に封水を循環供給させるように構成された高速回転機器用軸封装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の軸封装置として、回転軸に固定された回転密封環と回転軸が洞貫するシールケースに軸線方向移動可能に保持され且つ回転密封環へと押圧附勢された静止密封環との対向端面たる密封端面が相対回転摺接するように構成された一対のメカニカルシールであって、被密封流体領域側メカニカルシールと大気領域側メカニカルシールとをタンデム配置し、両メカニカルシール間に形成されたシール空間に、被密封流体領域側メカニカルシールにおける密封端面の外径側領域である被密封流体領域より低圧であり且つ大気領域側メカニカルシールにおける密封端面の内径側領域である大気領域より高圧である封水を循環供給するように構成されたタンデムシールが公知である（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
而して、かかる軸封装置は、シール空間に被密封流体領域である機内領域より高圧の封水を供給することにより、被密封流体が高圧流体である場合にもシール空間を介して良好にシールすることができるものであり、さらに端面接触形メカニカルシールにおける密封環の相対回転摺接部分を封水により潤滑すると共に当該相対回転摺接部分の発熱等を封水によるフラッシング作用により抑制して、回転軸が高速回転する場合にも良好なシール機能を発揮することができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、かかる従来のタンデムシールにあっては、封水のシール空間への給排水をシールケース内周部の一箇所において行うようにしていることから、つまりシールケース内周部の一箇所に設けられた給水口から封水がシール空間に供給されると共にシール空間の封水がシール内周部の一箇所に設けられた排水口から排出されることから、回転軸が高速回転される場合には次のような問題が生じていた。
【０００６】
すなわち、シール空間においては大気領域側メカニカルシールの回転密封環が高速で回転されることにより、当該回転密封環周辺の封水が回転密封環の回転によりポンピングされ或いは回転密封環の回転に伴って回転する連れ回り現象が生じることになるため、シール空間内の封水が一箇所の排水口へと流れ込む状況下においては、シール空間内の封水が激しく脈動することになる。そして、このような脈動が生じると、回転軸及びこれに取り付けられた回転側要素が振動し、更には回転機器全体が振動することになり、軸封装置によるシール機能が低下する等、大きなトラブルが生じる。このような脈動に起因するトラブルの発生は、特に回転軸が高速になるに従って顕著となる。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、高速，高圧条件下においても封水の脈動現象の発生を可及的に防止し得て、良好なシール機能を発揮することができるタンデムシールたる高速回転機器用軸封装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、回転軸に固定された回転密封環と回転軸が洞貫するシールケースに軸線方向移動可能に保持され且つ回転密封環へと押圧附勢された静止密封環との対向端面たる密封端面が相対回転摺接するように構成された一対のメカニカルシールであって、被密封流体領域側メカニカルシールと大気領域側メカニカルシールとをタンデム配置し、両メカニカルシール間に形成されたシール空間に、被密封流体領域側メカニカルシールにおける密封端面の外径側領域である被密封流体領域より低圧であり且つ大気領域側メカニカルシールにおける密封端面の内径側領域である大気領域より高圧である封水を循環供給するように構成された高速回転機器用軸封装置において、シール空間に封水を循環供給する給排水手段を、シールケースに形成されてシールケース外の給水ラインに接続された給水通路と、シールケースに形成されてシールケース外の排水ラインに接続された排水通路と、シールケースの内周面に形成されて給水通路に連通する環状の給水溝と、シールケースの内周面に形成されて排水通路に連通する環状の排水溝と、これら給排水溝の開口部を閉塞シールすべくシールケースの内周面に取り付けられたシャワーリングと、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝に連通する給水孔と、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝に連通する排水孔とを具備して、給水通路から給水溝に供給された封水を全給水孔からシール空間に供給すると共にシール空間内の封水を全排水孔から排水溝を経て排水通路へと排出することによって、シール空間における循環供給に伴う封水の脈動現象を抑制するように構成しておくことを提案するものである。
【０００９】
かかる軸封装置の好ましい実施の形態にあっては、給水孔が大気領域側メカニカルシールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されると共に排水孔が大気領域側メカニカルシールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されるか、或いは給水孔が大気領域側メカニカルシールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されると共に排水孔が大気領域側メカニカルシールにおける回転密封環の外周面に対向して配置される。何れの場合においても、給水通路が、給水ラインに連通する環状の給水ヘッダ室と、給水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された給水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路とを具備するものであり、排水通路が、排水ラインに連通する環状の排水ヘッダ室と、排水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された排水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路とを具備するものであることが好ましい。このような複数の給排水連絡通路を設ける場合においては、回転軸の軸線を通過する断面において給水連絡通路と排水連絡通路とがＸ字状にクロスした形態で形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の高速回転機器用軸封装置にあっては、シール空間への封水循環を周方向に等間隔を隔てて並列する複数の給排水孔によって行うことから、回転軸が高速回転することにより前記したポンピング現象や連れ回り現象が生じるような場合にも、シール空間において封水の脈動現象が発生するような虞れが殆どなく、脈動に起因する振動が生じず、高速回転条件下においても良好なシール機能を発揮させることができる。しかも、複数の排水孔から封水を噴出させることにより封水によるフラッシング作用をより効果的に行うことができ、上記した封水の脈動防止効果と相俟って、高速条件下におけるシール機能を更に良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明に係る高速回転機器用軸封装置を二次シールとして使用したシール装置の一例を示す縦断側面図である。
【図２】図２は、図１の要部を拡大して示す詳細図である。
【図３】図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う縦断正面図である。
【図４】図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う縦断正面図である。
【図５】図５は、図１のＶ−Ｖ線に沿う縦断正面図である。
【図６】図６は、図１のＶＩ−ＶＩ線に沿う縦断正面図である。
【図７】図７は、当該シール装置の変形例を示す縦断側面図である。
【図８】図８は、当該シール装置の他の変形例を示す縦断側面図である。
【図９】図９は、実験結果をしたもので、回転軸の回転数とその振幅との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本発明に係る軸封装置を二次シールとして使用したシール装置の一例を示す縦断側面図であり、図２はその要部の拡大図であり、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う縦断正面図であり、図４は図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う縦断正面図であり、図５は図１のＶ−Ｖ線に沿う縦断正面図であり、図６は図１のＶＩ−ＶＩ線に沿う縦断正面図である。
【００１３】
図１に示すシール装置は、回転軸１が高速回転（例えば、回転軸１の周速：２０ｍ／ｓ以上）する回転機器（例えば、原子力発電システム等において使用される蒸気圧縮機，コンプレッサ，ブロワ，ポンプ，攪拌機等）に使用される高ＰＶ値対応のメカニカルシール装置であって、回転軸１とこれを囲繞するシールケース２との間に第１〜第３メカニカルシール３，４，５を軸線方向に並列配置し、第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４との間に形成されるシール空間（以下「第１シール空間」という）Ｃ及び第２メカニカルシール４と第３メカニカルシール５との間に形成されるシール空間（以下「第２シール空間」という）Ｄを介して、機内領域である高圧ガス領域（例えば、高圧蒸気領域）Ａと機外領域である大気領域Ｂとの間をシールするように構成されている。すなわち、第１メカニカルシール３は、機内領域Ａと非密封流体領域である第１シール空間Ｃとの間をシールする一次シールを構成するものであり、第２及び第３メカニカルシール４，５は二次シールを構成するものであり、二次シールの被密封流体領域である第１シール空間Ｃと非密封流体領域である大気領域Ｂとの間を第２シール空間Ｄを介してシールする。この例では、本発明が二次シールに適用されている。すなわち、第２及び第３メカニカルシール４，５からなる二次シールが本発明に係る軸封装置である。なお、以下の説明における圧力はゲージ圧力である。
【００１４】
シールケース２は、当該回転機器のハウジング８に取り付けられた円筒状のもので、当該回転機器の回転軸１が同心状に貫通している。
【００１５】
第１メカニカルシール３は、図１に示す如く、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第１静止密封環」という）３１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第１回転密封環」という）３２と、第１静止密封環３１を第１回転密封環３２へと押圧附勢するスプリング部材３３とからなり、両密封環３１，３２の対向端面たる密封端面３１ａ，３２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域Ａとその外周側領域であるシール空間（以下「第１シール空間」という）Ｃとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００１６】
第３メカニカルシール５は、図１に示す如く、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第３静止密封環」という）５１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第３回転密封環」という）５２と、第３静止密封環５１を第３回転密封環５２へと押圧附勢するスプリング部材５３とからなり、両密封環５１，５２の対向端面たる密封端面５１ａ，５２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である大気領域Ｂとその外周側領域である第２シール空間Ｄとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００１７】
第２メカニカルシール４は、図１に示す如く、上記両メカニカルシール３，５間に配置されており、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第２静止密封環」という）４１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第２回転密封環」という）４２と、第２静止密封環４１を第２回転密封環４２へと押圧附勢するスプリング部材４３とからなり、両密封環４１，４２の対向端面たる密封端面４１ａ，４２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の外周側領域である第１シール空間（二次シールにおける被密封流体領域）Ｃとその内周側領域である第２シール空間Ｄとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００１８】
第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４とは軸線方向における密封環配置を逆とするダブルシールを構成しており、第２メカニカルシール４と第３メカニカルシール５とは軸線方向における密封環配置を同一とするタンデムシール（タンデムダブルシール）を構成している。第１及び第２回転密封環３２，４２は、基端面が対向する状態でスリーブ１１，１２及び保持環１５を介して回転軸１に固定されている。第１及び第２静止密封環３１，４１は、先端面（密封端面）３１ａ，４１ａが回転密封環３２，４２を挟んで対向する状態で、夫々、Ｏリング３４，４４を介してシールケース２に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。第３メカニカルシール５の密封環５１，５２は、第２メカニカルシール４より大気領域Ｂ側において、第２メカニカルシール４の密封環４１，４２と向きを同一とする状態で配置（タンデム配置）されており、第３回転密封環５２はスリーブ１１，１３及び保持環１６を介して回転軸１に固定されており、第３静止密封環５１はＯリング５４を介してシールケース２に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。
【００１９】
各静止密封環３１，４１，５１は、図１及び図２に示す如く、シールケース２の内周部に形成されたスプリングリテーナ部にＯリング３４，４４，５４を介して軸線方向に移動可能に嵌合保持された円環状体であり、その先端面は軸線に直交する平滑環状面である密封端面３１ａ，４１ａ，５１ａに形成されている。各静止密封環３１，４１，５１は、これに突設したドライブピン３１ｂ，４１ｂ，５１ｂをスプリングリテーナ部に形成した係合孔に係合させることにより、所定範囲での軸線移動を許容する状態でシールケース２に対する相対回転が阻止されている。なお、各静止密封環３１，４１，５１における密封端面３１ａ，４１ａ，５１ａが形成されている部分（密封端面形成部分）はカーボンで構成されている。
【００２０】
各回転密封環３２，４２，５２は、図１及び図２に示す如く、回転軸１にスリーブ１１，１２，１３，１４及び保持環１５，１６を介して固定された円環状体であり、その先端面は軸線に直交する平滑環状面である密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａに形成されている。第１及び第２回転密封環３２，４２の外周面（密封端面３２ａ，４２ａが形成される先端部を除く外周面部分）は保持環１５の外周面で被覆されており、両回転密封環３２，４２とシールケース２の内周部分（後述するシャワーリング６７）との対向周面間に凹凸のない封水流路（軸線方向に平行する円筒状流路）Ｃ１が形成されている。第３回転密封環５２の外周面（密封端面５２ａが形成される先端部を除く外周面部分）及び背面（基端面）は保持環１６で被覆されており、第３回転密封環５２とシールケース２の内周部分（後述するシャワーリング７７）との対向周面間に凹凸のない封水流路（軸線方向に平行する円筒状流路）Ｄ１が形成されている。なお、各回転密封環３２，４２，５２における密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａが形成されている部分（密封端面形成部分）は静止密封環３１，４１，５１の密封端面形成部分より硬質のセラミックス（炭化珪素等）等で構成されている。
【００２１】
各スプリング部材３３，４３，５３は、図１に示す如く、静止密封環３１，４１，５１と前記スプリングリテーナ部との間に周方向に所定間隔を隔てて装填された複数のコイルスプリングで構成されており、静止密封環３１，４１，５１を回転密封環３２，４２，５２へと押圧接触させるべく附勢するものである。
【００２２】
なお、この例では、シール装置は、図１に示す如く、静止側要素（シールケース２及び静止密封環３１，４１，５１等）と回転側要素（スリーブ１１，１２，１３，１４及び回転密封環３２，４２，５２等）とを、シールケース２の機外領域Ｂ側の端部に取り付けたセット爪９をスリーブ１１，１４に係合させることにより、一体化させるようにしたカートリッジ構造のものに構成してある。すなわち、上記静止側要素と回転側要素とをセット爪９により一体化させた状態で回転軸１（及びハウジング８）に装着又は取外しできるようになっている（装着後の運転時にはセット爪９を外しておく）。また、図１に示す如く、シールケース２には、機内領域Ａ側の端部に配してラビリンスシール２７及び水冷ジャケット２８が設けられると共に、大気領域Ｂ側の端部に配してラビリンスシール２９ａ，２９ｂが設けられており、スリーブ１１の大気領域Ｂ側の端部にはスリング１７が設けられている。
【００２３】
而して、第１シール空間Ｃには第１給排水手段により機内領域Ａより高圧の封水６が循環供給されると共に、第２シール空間Ｄには、第２給排水手段により、第２メカニカルシール（二次シールにおける被密封流体領域側メカニカルシール）４における密封端面４１ａ，４２ａの外径側領域である第１シール空間（二次シールによってシールされる被密封流体領域）Ｃより低圧であり且つ第３メカニカルシール（二次シールにおける大気領域側メカニカルシール）５における密封端面５１ａ，５２ａの内径側領域である大気領域Ｂより高圧である封水７が循環供給されていて、各シール空間Ｃ，Ｄを所定圧（機内領域Ａの圧力＜第１シール空間Ｃ，機外領域Ｂの圧力（大気圧）＜第２シール空間Ｄの圧力＜第１シール空間Ｃの圧力）に保持すると共に封水６，７によるフラッシング効果が発揮されるように工夫してある。なお、各回転密封環３２，４２，５２の密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａの外周縁部には、図２〜図６に示す如く、相手密封端面（静止密封環３１，４１，５１の密封端面）３１ａ，４１ａ，５１ａの外周縁部に若干食い込む凹部（ハイドロカット）３２ｂ，４２ｂ，５２ｂが形成されていて、封水６，７を密封端面３１ａ，３２ａ、４１ａ，４２ａ及び５１ａ，５２ａ間に積極的に導入させることにより当該密封端面間の潤滑を効果的に行いうるように工夫してある。
【００２４】
第１給排水手段は、図１及び図２に示す如く、シールケース２に形成されてシールケース外の給水ライン６１に接続された給水通路６２と、シールケース２に形成されてシールケース外の排水ライン６３に接続された排水通路６４と、シールケース２の内周面に形成されて給水通路６２に連通する環状の給水溝６５と、シールケース２の内周面に形成されて排水通路６４に連通する環状の排水溝６６と、これら給排水溝６５，６６の開口部を閉塞シールすべくシールケース２の内周面に取り付けられたシャワーリング６７と、シャワーリング６７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝６５に連通する給水孔６８と、シャワーリング６７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝６６に連通する排水孔６９とを具備して、給水通路６２から給水溝６５に供給された封水６を全給水孔６８から第１シール空間Ｃに供給すると共に第１シール空間Ｃ内の封水６を全排水孔６９から排水溝６６を経て排水通路６４へと排出するように構成されている。給水孔６９は、図１〜図３に示す如く、第２メカニカルシール４における静止密封環（第２静止密封環）４１の外周面であって密封端面４１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。排水孔６７は、図１、図２及び図４に示す如く、第１メカニカルシール３における静止密封環（第２静止密封環）３１の外周面であって密封端面３１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。なお、シャワーリング６７には、給水孔６８から大気領域Ｂ側へと離間する位置に配して、第１シール空間Ｃと給水溝６５内とを連通する適当数の空気抜き孔６７ａが穿設されている。
【００２５】
給排水ライン６１，６３はプランジャポンプ等を具備する封水供給装置に接続されていて、これらと給排水通路６２，６４、給排水溝６５，６６、給排水孔６８，６９及び第１シール空間Ｃとで封水６の循環ラインが構成されている。すなわち、給水孔群６８から一定圧の封水６を一定流量で第１シール空間Ｃに供給すると共にこの供給量と同一量の封水６を第１シール空間Ｃから排水孔群６９へと排出させることにより、一定圧の封水６を第１シール空間Ｃに循環供給させるようになっている。したがって、第１シール空間Ｃは封水６によって常時充満され、一定圧に保持される。封水６の圧力及び循環量は、第１シール空間Ｃが機内領域Ａより若干（０．５ＭＰａＧ程度）高くなるように設定される。例えば、機内領域Ａの流体が７．２ＭＰａＧの高圧蒸気である場合においては、封水６の圧力を７．７ＭＰａＧとし且つ封水６の給排量（循環量）を９６Ｌ／ｍｉｎとして、第１シール空間Ｃを機内領域Ａより０．５ＭＰａＧ高圧となるように保持させるようにする。
【００２６】
第１及び第２メカニカルシール３，４における相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａは、第１シール空間Ｃに給排される封水６によってフラッシングされるが、かかる封水６によるフラッシング機能をより効果的に発揮させるべく、シャワーリング６７の内周部には、図２に示す如く、第１メカニカルシール３の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａに対向する位置及び第２メカニカルシール４の相対回転摺接部分４１ａ，４２ａに対向する位置に夫々配して環状の第１及び第２誘導突起２１，２２が設けられていて、給水孔６８から排水孔６９への封水流動経路の途中において封水６が第１及び第２メカニカルシール３，４の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａに向かうべく誘導されるように工夫してある。すなわち、給水孔６８から封水流路Ｃ１へと流動する封水６は、この間において第２誘導突起２２により第２メカニカルシール４の相対回転摺接部分４１ａ，４２ａに向かうように誘導される反転流６ａとなる。さらに、封水流路Ｃ１から排水孔６９へと流動する封水６は、この間において第１誘導突起２１により第１メカニカルシール３の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａに向かうように誘導される反転流６ｂとなる。したがって、かかる反転流６ａ，６ｂによって、相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａの周辺においても封水６が停滞することなく流動され、相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａを含む密封環３１，３２及び４１，４２に対するフラッシング効果が良好に発揮されることになる。
【００２７】
第２給排水手段は、図１及び図２に示す如く、シールケース２に形成されてシールケース外の給水ライン７１に接続された給水通路７２と、シールケース２に形成されてシールケース外の排水ライン７３に接続された排水通路７４と、シールケース２の内周面に形成されて給水通路７２に連通する環状の給水溝７５と、シールケース２の内周面に形成されて排水通路７４に連通する環状の排水溝７６と、これら給排水溝７５，７６の開口部を閉塞シールすべくシールケース２の内周面に取り付けられたシャワーリング７７と、シャワーリング７７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝７５に連通する給水孔７８と、シャワーリング７７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝７６に連通する排水孔７９とを具備して、給水通路７２から給水溝７５に供給された封水７を全給水孔７８から第２シール空間Ｄに供給すると共に第２シール空間Ｄ内の封水７を全排水孔７９から排水溝７６を経て排水通路７４へと排出するように構成されている。給水孔７８は、図１、図２及び図５に示す如く、第３メカニカルシール５における回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面であってこれを覆っている保持環１６の大径部と小径部との境界部分つまり封水流路Ｄ１の機内領域Ａ側の端部に対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。排水孔７９は、図１、図２及び図６に示す如く、第３メカニカルシール５における静止密封環（第３静止密封環）５１の外周面であって密封端面５１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。給水通路７２は、図１、図２及び図５に示す如く、給水ライン７１に連通する環状の給水ヘッダ室７２ａと、給水ヘッダ室７２ａとシャワーリング７７で閉塞された給水溝７５内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路７２ｂとを具備して、給水ライン７１から給水ヘッダ室７２ａに供給された封水７を給水連絡通路群７６から給水溝７５に供給するようになっている。排水通路７４は、図１、図２及び図６に示す如く、排水ライン７３に連通する環状の排水ヘッダ室７４ａと、排水ヘッダ室７４ａとシャワーリング７７で閉塞された排水溝７６内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路７４ｂとを具備して、排水孔群７９から排水溝７６に流入した第２シール室Ｄ内の封水７を排水連絡通路群７４ｂから排水ヘッダ室７４ａを介して排水ライン７３に排水するようになっている。給水連絡通路７２ｂと排水連絡通路７４ｂとは、回転軸１の軸線に対して逆方向に傾斜する傾斜通路となっている。すなわち、図１及び図２に示す如く、給排水ヘッダ室７２ａ，７４ａの軸線方向位置関係と給排水溝７５，７６の軸線方向位置関係とが逆になるようにして、回転軸１の軸線を通過する断面において給水連絡通路７２ｂと排水連絡通路７４ｂとがＸ字状にクロスした形態となるように工夫してある。各連絡通路７２ｂ，７４ｂの上記軸線に対する傾斜角度は４５度又は略４５度に設定されている。給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂ及び給排水孔７８，７９の数及び形状（断面積（水流方向に直交する断面の面積））は、全給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂの合計断面積が全給排水孔７８，７９の合計断面積と同一か又は全給排水孔７８，７９の合計断面積より若干大きくなる条件において、適宜に設定される。なお、シャワーリング７７には、排水孔７９から大気領域Ｂ側へと離間する位置に配して、第２シール空間Ｄと排水溝７６内とを連通する適当数の空気抜き孔７７ａが穿設されている。
【００２８】
給排水ライン７１，７３はプランジャポンプ等を具備する封水供給装置に接続されていて、これらと給排水通路７２，７４、給排水溝７５，７６、給排水孔７８，７９及び第２シール空間Ｄとで封水７の循環ラインが構成されている。すなわち、給水通路７２から一定圧の封水７を一定流量で第２シール空間Ｄに供給すると共にこの供給量と同一量の封水７を第２シール空間Ｄから排水通路７４へと排出させることにより、一定圧の封水７を第２シール空間Ｄに循環供給させるようになっている。したがって、第２シール空間Ｄは封水７によって常時充満され、一定圧に保持される。封水７の圧力及び循環量は、第２シール空間Ｄがこれに隣接する機内領域Ａ側のシール空間つまり第１シール空間Ｃより低圧で且つ大気領域Ｂより高圧に保持されるように設定される。例えば、前記した如く機内領域Ａの流体が７．２ＭＰａＧの高圧蒸気であり、封水６の圧力を７．７ＭＰａＧとし且つ封水６の給排量（循環量）を９６Ｌ／ｍｉｎとした場合においては、封水７の圧力を３．５ＭＰａＧとし且つ封水７の給排量（循環量）を６１Ｌ／ｍｉｎとする。
【００２９】
第３メカニカルシール５における相対回転摺接部分５１ａ，５２ａは、第２シール空間Ｄに給排される封水７によってフラッシングされるが、かかる封水７によるフラッシング機能をより効果的に発揮させるべく、シャワーリング７７の内周部には、図２に示す如く、第３メカニカルシール５の相対回転摺接部分５１ａ，５２ａに対向する位置に配して環状の第３誘導突起２３が設けられている。したがって、封水７は給水孔７８から封水流路Ｄ１を通過して排水孔７９に向かうが、この間において、上記した第１シール空間Ｃにおける反転流６ａ，６ｂと同様の反転流７ａが生じることになる。すなわち、第３メカニカルシール５の相対回転摺接部分５１ａ，５２ａの周辺において、封水７は第３誘導突起２３により当該相対回転摺接部分５１ａ，５２ａへと向かうように誘導された反転流７ａとなる。かかる反転流７ａによって、相対回転摺接部分５１ａ，５２ａの周辺においても封水７が停滞することなく流動され、相対回転摺接部分５１ａ，５２ａを含む密封環５１，５２に対するフラッシング効果が良好に発揮されることになる。
【００３０】
なお、この例では第２静止密封環４２が軸線方向に長尺なものであるため、第２シール空間Ｄにおいては、当該密封環４２と回転軸１（スリーブ１２）との対向周面間に軸線方向に延びる長尺な円筒状領域Ｄ２が生じるが、この円筒状領域における回転軸１の回転に伴う封水７の連れ回り現象を可及的に防止すべく、当該対向周面を表面研磨（電解研磨，バフ研磨等）して封水７との摩擦係数が小さくなるように工夫すると共に当該対向周面の間隔（円筒状領域Ｄ２の径方向幅）を可能な範囲で最大限大きく設定してある。
【００３１】
以上のように構成されたシール装置にあっては、機内領域Ａと機外領域（大気領域）Ｂとの間を機外領域側へと段階的に減圧された封水充填空間である第１及び第２シール空間Ｃ，Ｄを介してシールするように構成されているから、機内領域Ａの流体が高圧蒸気等の高圧流体である場合にも、機内領域Ａを確実にシールすることができ、しかも回転軸１が高速回転される場合においても、タンデムシールである二次シールにおける封水循環に伴う封水７の脈動を可及的に防止することができ、回転軸１延いては回転機器の振動を大幅に低減することができる。
【００３２】
すなわち、第２シール空間Ｄ内の封水７をシールケース２の周方向に等間隔を隔てて並列する複数の給排水孔７８，７９から給排水させるため、第２シール空間Ｄ内に位置する回転密封環（第３回転密封環）５２の回転によってその周辺の封水７にポンピング，連れ回り現象が生じている場合にも、冒頭で述べた従来のタンデムシールにおける如く一箇所から封水を給排させる場合に比して、封水７の脈動が防止され或いは振動を生じさせない程度にまで抑制される。また、全給排水孔７８，７９と給排水ライン７１，７３との間に、第１環状室（給排水溝７５，７６）と第２環状室（ヘッダ室７２ａ，７４ａ）と両環状室間を連結する複数の給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂとを介して、連結していることから、第２シール空間Ｄへの給排水経路において急激な圧力変動が生じず、これによって脈動の発生をより効果的に抑制することができる。このような効果を発揮させる上で、給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂを前記した如く４５度前後の傾斜角度でＸ状にクロスさせておくことも有効となる。さらに、周方向に均等配置された複数の給水孔７８から第２シール空間Ｄ内に位置する回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面に向けて放射状に給水させるようにしたことによって、当該回転密封環５２の回転によるポンピング，連れ回り現象が、回転密封環外周の封水流路Ｄ１を給水孔７９へと流動する封水７によって緩和されることになり、これによって脈動の発生が更に効果的に抑制されることになる。また、第２静止密封環４２と回転軸１（スリーブ１２）との対向周面間（円筒状領域Ｄ２）を、前記した如く、表面研磨により封水７との摩擦係数を低減し且つ最大限拡げるようにしておくことによっても、封水７の連れ回りによる脈動発生を有効に抑制することができる。
【００３３】
また、封水６，７を周方向に均等配置された複数の給水孔６８，７８からシール空間Ｃ，Ｄに供給（噴出）させるようにしたことによって、冒頭で述べた従来のタンデムシールにおける如くシールケース内周部の一箇所から封水を供給させる場合に比して、封水６，７によるフラッシング機能がより効果的に発揮され、更に誘導突起２４，２５，２６による反転流６ａ，６ｂ，７ａを生じさせることにより、密封環の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ、４１ａ，４２ａ及び５１ａ，５２ａに対するフラッシング機能が更に効果的に発揮されることになる。
【００３４】
したがって、上記した構成のシール装置によれば、高速，高圧の高ＰＶ値条件下においても、冒頭で述べた如きトラブルを生じることなく、極めて良好なシール機能を発揮することができる。
【００３５】
ところで、本発明の構成は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において、適宜に改良，変更することができる。
【００３６】
例えば、図７に示す如く、第２シール空間Ｄに開口する給排水口７８，７９の軸線方向位置関係を図１に示すシール装置（以下「第１実施例装置」という）とは逆にして、給水孔７８が大気領域側メカニカルシール５における静止密封環（第３静止密封環）５１の外周面に対向して配置されると共に、排水孔７９が当該メカニカルシール５における回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面に対向して配置されるようにしておくことも可能である。すなわち、図７に示すシール装置（以下「第２実施例装置」という）では、第１実施例装置の給水孔及び給水溝を排水孔７９及び排水溝７６として使用すると共に第１実施例装置の排水孔及び排水溝を給水孔７８及び給水溝７５として使用し、さらに第１実施例装置の給水用ヘッダ室及び排水用ヘッダ室はそのまま給水用ヘッダ室７２ａ及び排水用ヘッダ室７４ａとして使用し、給排水溝７５，７６と給排水用ヘッダ室７２ａ，７４ａとを夫々クロスしない複数の給排水連絡通路７２ａ，７４ａで接続してある。
【００３７】
第２実施例装置は、第１実施例装置に比しては脈動防止効果が多少劣るものの、従来のタンデムシールに比しては大幅な脈抑制効果を発揮しうるものである。この点については、実験により確認された。すなわち、第１及び第２実施例装置と第２シール空間Ｄに開口する給排水孔を夫々一個とし且つ給排水孔を夫々給排水ラインに一本の給排水通路で連結した点を除いて第２実施例装置と同一構造をなくシール装置（以下「比較例装置」という）とを使用して、同一条件下で回転軸１の回転数を変えながら、回転軸１の振幅を測定した。その結果は、図９に示す通りであった。すなわち、図９においては、回転軸１の回転数（ｒ．ｐ．ｍ．）と振幅（μｍ  ｐ−ｐ）との関係を、第１実施例装置については実線で、第２実施例装置については破線で、また比較例装置については鎖線で示してあるが、この実験結果からも、比較例装置では高速回転になるに従い振幅が増大して良好な運転が困難となるが、第１及び第２実施例装置では高速回転条件下でも回転軸１の振動が効果的に抑制されており、特に、第１実施例装置では回転軸１の振動が大幅に抑制されていることが理解される。
【００３８】
また、第２シール空間Ｄにおける回転密封環５２による封水７のポンピングないし連れ回り現象を抑制するために、第１又は第２実施例装置における当該回転密封環５２の形状を工夫しておくことも有効と考えられる。例えば、図８は第１実施例装置において、回転密封環５２の背面つまり保持環１６の背面を機内領域Ａ側へと漸次縮径する傾斜面１６ａに形成して、当該回転密封環５２の回転に伴う封水７のポンピングないし連れ回り現象の発生を可及的に抑制しうるように工夫してある。
【００３９】
また、本発明に係る軸封装置は、上記したシール装置における二次シールとして使用する他、それ単独のタンデムシールとして或いは３個以上のメカニカルシールが並列配置されるシール装置における一次シールとしても好適に使用することができることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４０】
１      回転軸
２      シールケース
４      第２メカニカルシール（被密封流体領域側メカニカルシール）
５      第３メカニカルシール（大気領域側メカニカルシール）
７      封水
４１    第２静止密封環
４１ａ  密封端面
４２    第２回転密封環
４２ａ  密封端面
５１    第３静止密封環
５１ａ  密封端面
５２    第３回転密封環
５２ａ  密封端面
７１    給水ライン
７２    給水通路
７２ａ  ヘッダ室
７２ｂ  給水連絡通路
７３    排水ライン
７４    排水通路
７４ａ  ヘッダ室
７４ｂ  排水連絡通路
７５    給水溝
７６    排水溝
７７    シャワーリング
７８    給水孔
７９    排水孔
Ｂ      大気領域
Ｃ      第１シール空間（被密封流体領域）
Ｄ      第２シール空間（シール空間）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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