(57)【要約】【課題】一方方向シール性能を一層に向上させること。【解決手段】回転軸（１）の周域に配置され高温水の軸方向流れを封止する封止体（２又は５−ｊ特に５−３）封止体（５−３）の内周面と回転軸との間には形成されている環状隙間を通り逆流軸方向に流れる高温水の流れに対抗して冷却水がとおされる。封止体（５−３）は内周面に半径方向に対向する封止面は、順流軸方向に下流側に形成される第１封止面（７−３）と、順流軸方向に上流側に形成される第２封止面（６−３）とから構成されている。第２封止面（６−３）は、順流軸方向に流れる冷却水の流れを絞り込む傾斜面として形成されている。第２封止面（６−３）と回転軸の周面との間に形成される絞込み領域では、順方向流れの冷却水の流勢が強く高温水の逆流に対向し、絞り込み領域の流路断面積は小さく温度揺らぎが発現する領域の体積が小さい。逆流防止と体積減少は、相乗的に温度揺らぎ現象を緩和し、一方方向シール性能を一層に向上させる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の周域に配置され高温水の軸方向流れを封止する封止体とを具え、
前記回転軸の周面と前記封止体の内周面との間には環状隙間が生じ、高圧化されている高温水は前記環状隙間を通り逆流軸方向に流れ、冷却水は高温水の流れに対抗して前記環状隙間を通り順流軸方向に流れ、
前記封止体は前記内周面に半径方向に対向する封止面を有し、
前記封止面は、
前記順流軸方向に下流側に形成される第１封止面と、
前記順流軸方向に上流側に形成される第２封止面とを具え、
前記第２封止面は、前記順流軸方向に流れる冷却水の流れを絞り込む傾斜面として形成されている
高温水ポンプの軸封装置。
【請求項２】
前記傾斜面は円錐面状に形成されている
請求項１の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項３】
前記第１封止面は前記逆流軸方向に流れる前記高温水の流れを絞り込む傾斜面としては形成されていない
請求項１の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項４】
前記第１封止面は前記回転軸の回転軸心線に概ね直交している
請求項３の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項５】
前記封止体のうち前記第１封止面と前記第２封止面とが交わる交叉線を含む内周側領域は先鋭に形成されている
請求項１〜４から選択される１請求項の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項６】
前記第１封止面は軸方向に凹凸的に変形する凹凸面として形成されている
請求項１の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項７】
前記封止体は複数体の封止体として形成され、前記複数体の前記封止体は軸方向に配列され、前記複数体の前記封止体のうち前記逆流軸方向に最上流に位置する封止体は初段封止体と呼ばれ、
前記凹凸面は前記初段封止体にのみ形成されている
請求項６の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項８】
前記封止体には前記第２封止面から前記第１封止面に貫通する流路が形成されている
請求項１の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項９】
前記封止体は複数体の封止体として形成され、前記複数体の前記封止体は軸方向に配列され、前記複数体の前記封止体のうち前記逆流軸方向に最上流に位置する封止体は初段封止体と呼ばれ、
前記流路は前記初段封止体にのみ形成されている
請求項８の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項１０】
前記封止体は、前記第１封止面の側で前記軸方向に突出し前記第１封止面に沿って半径方向内側に流れる水流に対して抵抗を与える抵抗体を備えている
請求項１の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項１１】
前記封止体は複数体の封止体として形成され、前記複数体の前記封止体は軸方向に配列され、前記複数体の前記封止体のうち前記逆流軸方向に最上流に位置する封止体は初段封止体と呼ばれ、
前記抵抗体は前記初段封止体にのみ形成されている
請求項１０の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項１２】
前記封止体は複数体の封止体として形成され、前記複数体の前記封止体は軸方向に配列され、前記複数体は２体を含み２体より多く３体を含み３体より少ない
請求項１の高温水ポンプの軸封装置。
【請求項１３】
前記封止体は複数体の封止体として形成され、前記複数体の前記封止体は軸方向に配列され、前記複数体のそれぞれの放射方向奥行き長さはＲで表され、前記複数体の軸方向長さはＡで表され、勾配係数はＡ／Ｒにより定義され、Ａ／Ｒ＞０．７９である
請求項１の高温水ポンプの軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温水ポンプの軸封装置に関し、特に、循環系の高温水を昇圧する高温水ポンプの軸封装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温水を強制的に循環させる高温水循環用ポンプは、後掲の特許文献１で示されるように、火力発電所、原子力発電所、その他の発熱源を含む熱交換系の高温水循環系で用いられる。高温環境に曝される高温水循環用ポンプの回転軸（主軸）は、高温から保護される必要がある。そのような回転軸は、冷却水により冷却される。冷却水は、回転軸の外周面領域で軸方向の流れ力又は流勢（圧力）を受ける。高温水は、その軸方向流れの冷却水に対向する流れ力（流勢）を受ける。高温水の流れ力が冷却水の流れ力より大きい場合には、高温水は冷却水流域である外周面領域に逆流的に流れ込むことを回避することができない。そのような流れ込みを抑制するたに、特許文献１で知られているようなラビリンスシールが用いられている。ラビリンスシールには、高温水側に流れ込む冷却水の冷却水流を許容するが、冷却水側に流れ込む高温水の高温水流を阻止する一方方向流れ機能が求められる。
【０００３】
そのような一方方向流れ機能が不十分であれば、冷却水側と高温水側の軸方向境界領域で、冷却水と高温水の衝突が生じて、温度揺らぎ現象が発生する。このような温度揺らぎ現象は、結果的に一方方向シール性能を劣化させる。
【０００４】
回転軸の外周面周域の冷却水と高温水との間の一方方向シール性能の一層の向上が求められる。その一方方向シール構造は構造的に簡素であることが望まれる。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１８４６８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、回転軸の外周面周域の冷却水と高温水との間の一方方向シール性能を一層に向上させる高温水ポンプの軸封装置を提供することにある。
本発明の他の課題は、その一方方向シール構造は構造的に簡素である高温水ポンプの軸封装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による高温水ポンプの軸封装置は、回転軸（１）と、回転軸（１）の周域に配置され高温水の軸方向流れを封止する封止体（２又は５−ｊ特に５−３）とから構成されている。回転軸（１）の周面と封止体（５−３）の内周面との間には回転軸の高温化と冷却水の圧力により環状隙間が生じる恐れがある。その場合には、高温水は環状隙間を通り逆流軸方向に流れ、冷却水は高温水の流れに対抗して環状隙間を通り順流軸方向に流れる。封止体（５−３）は内周面に半径方向に対向する封止面を有している。その封止面は、順流軸方向に下流側に形成される第１封止面（７−ｊ、特に、７−３）と、順流軸方向に上流側に形成される第２封止面（６−ｊ、特に、６−３）とから構成されている。第２封止面（６−３）は、順流軸方向に流れる冷却水の流れを絞り込む傾斜面として形成されている。
【０００８】
第２封止面（６−３）と回転軸の周面との間に形成される絞込み領域では、順方向流れの冷却水の流勢が強く高温水の逆流に対向し、絞り込み領域の流路断面積は小さく温度揺らぎが発現する領域の体積が小さい。逆流防止と揺らぎ許容領域の体積減少は、相乗的に温度揺らぎ現象を緩和する。円錐面状に形成される傾斜面（６−３）は、軸心線対称であるから、順方向流れが円滑であり、その乱れが抑制され、温度揺らぎが更に有効に抑制される。
【０００９】
第１封止面（７−３）は逆流軸方向に流れる高温水の流れを絞り込む傾斜面としては形成されていない。第１封止面（７−３）は、第２封止面（６−３）に対して逆テーパ面に形成されることは有意義である。第１封止面（７−３）は回転軸の回転軸心線（Ｌ）に概ね直交していることは有効である。封止体（５−３）のうち第１封止面（７−３）と第２封止面（６−３）とが交わる交叉線を含む内周側領域は先鋭に形成されている。絞り領域で渦流又は乱流の発生が抑制され、温度揺らぎが緩和される。
【００１０】
第１封止面（７−３）は軸方向に凹凸的に変形する凹凸面（９）として形成されることは有効である。第１封止面（７−３）に沿って流れる高温水の半径方向内側向き流れは、凹凸面（９）により抵抗を受けてその流勢が衰えるので、冷却水の流勢に対してより劣勢になり、高温水の逆流が抑制される。封止体（５−３）は複数体の封止体（５−３）として形成され、複数体の封止体（５−３）は軸方向に配列され、複数体の封止体（５−３）のうち逆流軸方向に最上流に位置する封止体（５−３）は初段封止体（５−３）と呼ばれる。凹凸面（９）を逆流の初期段階で抑制することが重要であるので、初段封止体（５−３）にのみ形成することが効果的である。
【００１１】
封止体（５−３）には第２封止面（６−３）から第１封止面（７−３）に貫通する流路（１５）を形成することにより、高温水の流勢を弱め、且つ、逆流の恐れがある高温水を初期的に冷却することは温度揺らぎを緩和することができる点で更に有意義である。封止体（５−３）は、第１封止面（７−３）の側で軸方向に突出し第１封止面（７−３）に沿って半径方向内側に流れる水流に対して抵抗を与える抵抗体（１９）は、高温水の流勢を弱めることにより温度揺らぎを緩和することができる点で更に有意義である。
【００１２】
封止体（５−３）は、複数体の封止体（５−１，２，３）として形成される。複数体の封止体（５−１，２，３）は軸方向に配列され、その複数体は２体を含み２体より多く３体を含み３体より少ないことが有効であることは、実験的に確認され得る。数値的には、封止体は複数体の封止体（５−１，２，３）として形成され、複数体の封止体（５−１，２，３）のそれぞれの放射方向奥行き長さがＲで表され、複数体の軸方向長さがＡで表されれば、勾配係数Ａ／ＲはＡ／Ｒ＞０．７９であることが有効である。ピッチと奥行きの相関が重要であり、段数は１〜３の範囲で有効であるが、それ以上の段数の増加による温度揺らぎ抑制効果は漸近的である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による高温水ポンプの軸封装置は、温度揺らぎを抑制する効果が大きく、且つ、シーリングのための機械的構造は簡素である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明による高温水ポンプの軸封装置の実施の好ましい形態は、図に対応して、詳細に記述される。高温水循環用ポンプの回転主軸１の回転周面領域は、図１に示されるように、環状のラビリンスシール２により囲まれている。ラビリンスシール２は、本体ケーシング３に支持されている。本体ケーシング３に囲まれる環状空間の軸方向一方側空間は、冷却水側環状空間Ｌとして形成され、その環状空間の軸方向他方側空間は高温水側環状空間Ｈとして形成されている。
【００１５】
ラビリンスシール２は、本体ケーシング３に支持されるシール本体部分４と軸方向に多段に形成されるテーパラビリンス部分（フィン）５−１，２，３から形成されている。テーパラビリンス部分５−１，２，３は、シール本体部分４に一体に機械加工により形状的に構造化されている。テーパラビリンス部分５−３は、特に、高温水側テーパラビリンス部分として特殊な構造が追加される。テーパラビリンス部分５−１，２，３は、それぞれに、テーパ面６−１，２，３と放射方向面７−１，２，３とを有している。テーパ面６−１，２，３は、それぞれに、放射方向面７−１，２，３よりも冷却水側に配置されて形成されている。テーパ面６−１，２，３は、それぞれに、冷却水側から高温水側に流れる水流（特に、冷却水流）が流れ方向に楔効果的に絞り込まれる方向に傾斜するコーン面（円錐状面）として形成されている。テーパ面６−１，２，３と回転主軸１の外周面１２との間に、環状狭域絞りＶが形成される。物理的表現に代えられて幾何学的に言い換えられれば、テーパ面６−１，２，３は、より高温水側の位置の直径がより冷却水側の位置の直径より小さいコーン面に形成されている。放射方向面７−１，２，３は、高温水側から冷却水側に流れる水流（特に、高温水水流）が流れ方向に楔効果的に絞り込まれる方向に傾斜しない面として形成され、特には、回転主軸１の回転軸心線Ｌに直交している。高温水側テーパラビリンス部分５−３の放射方向面７−３は、軸方向に凹凸的である環状凹凸溝面９に形成されている。
【００１６】
冷却水側環状空間Ｌの冷却水の圧力は、高温水側環状空間Ｈの高温水の圧力より大きく設計されている。冷却水側環状空間Ｌから高温水側環状空間Ｈに向かう軸方向冷却水流１１は、回転主軸１の回転周面１２とコーン状のテーパ面６−１，２，３の間で挟み込まれ流速が増大してその流勢が増大し、高温水側環状空間Ｈから冷却水側環状空間Ｌに向かう軸方向高温水流１３に同定される仮想的逆流に対抗し、仮想的逆流１３が現実に生じることが有効に抑制される。高温水側環状空間Ｈの中で、軸方向高温水流１３の他に求心方向（半径方向内側向き）高温水流１４が仮想的に生成される。
【００１７】
環状凹凸溝面９に沿って求心方向に流れる求心方向高温水流１４は、環状凹凸溝面９の凹面部位の中で発生する渦流の抵抗を受けて、その流勢（威力）又は求心方向速度が低下し、高温水側環状空間Ｈから冷却水側環状空間Ｌに向かう逆流方向に流れ方向を変えるために十分であるエネルギーを失っている。テーパ面６−１，２，３と放射方向面７−１，２，３の先端のそれぞれの交線領域（円領域）を先鋭に形状化することにより、その交線領域で高温水と低温水の衝突により発生する渦はその先鋭部位で剥離され、渦流の持続を絶つことができる。このような逆流防止効果と渦剥離効果は、温度揺らぎを抑制し、高温水の逆流拡散的侵入を有効に抑制する効果を導く。
【００１８】
図２は、初段のテーパラビリンス部分５−３の改変の形態を示している。テーパラビリンス部分５−３に、同一円周上で等角度間隔で並び軸方向に貫通する複数の冷却水呼び通路１５が開けられている。冷却水呼び通路１５に流れ込む冷却水１６は求心方向高温水流１４に吸引され呼び込まれて求心方向高温水流１４に合流し、求心方向高温水流１４の温度を低下させる。求心方向高温水流１４の温度低下は、温度揺らぎを更に抑制する。求心方向高温水流１４の勢いが大きい場合に、冷却水１６の量が多い。
【００１９】
図３は、テーパラビリンス部分５−３の他の改変の形態を示している。テーパラビリンス部分５−３に、同一円周上で等角度間隔で並び軸方向に延び半径方向内側に曲がってテーパ面６−３で開口する複数の冷却水呼び通路１７が開けられている。冷却水呼び通路１７に流れ込む冷却水１８は軸方向高温水流１３に吸引され呼び込まれて軸方向高温水流１３に合流し、軸方向高温水流１３の温度を低下させる。軸方向高温水流１３の温度低下は、温度揺らぎを更に抑制する。軸方向高温水流１３の勢いが大きい場合に、冷却水１８の量が多い。軸方向高温水流１３の向きが逆流方向でなく順流方向であれば、冷却水１８は順流方向に向きを変える。
【００２０】
図４は、テーパラビリンス部分５−３の更に他の改変の形態を示している。環状凹凸溝面９が形成される点で図１の形態に同じであり、冷却水呼び通路１５が更に追加的に形成される点で図２の改変の形態に同じである。求心方向高温水流１４の流勢低減効果と温度低下効果とにより、環状狭域絞りＶの温度揺らぎが低減する。冷却水呼び通路１５に代えられて図３の形態の冷却水呼び通路１７が形成され得る。更には、冷却水呼び通路１７をテーパ面６−３で開放し、且つ、放射方向面７−３で開放する流路に改変することは有意義である。
【００２１】
図５は、テーパラビリンス部分５−３の更に他の改変の形態を示している。冷却水呼び通路１５が形成される点で図２の形態に同じである。本形態では、放射方向面７−３に沿う求心方向高温水流１４’の流れに逆らう抵抗１９が求心方向高温水流１４’の下流側に配置される。冷却水呼び通路１５を通る冷却水１６’は、抵抗１９により曲げられる流域で求心方向高温水流１４’に合流する。抵抗１９の中に冷却水呼び通路１５に連続する流路を形成し、その流路を抵抗１９の上流側面で開放することは、冷却水の流れが図中に点線で示されるように高温水の流れに対して逆流効果を示し、流速低減効果と温度低下効果の点で既述のそれらの効果を更に増強する。
【００２２】
図６は、テーパラビリンス部分５−３の更に他の改変の形態を示している。本形態は、抵抗１９が形成される点で、図５の形態に同じである。本形態では、高温水の流れ１４”の向きをより高温水側に向かわせる偏向流路２１が抵抗１９に形成されている。
【００２３】
図７は、本発明による高温水ポンプの軸封装置の効果確認用の形態を示している。テーパラビリンス部分５は、５段に形成されている。それぞれの段のテーパラビリンス部分５−１，２，３，４，５にテーパ面６−１，２，３，４，５が形成されている点は、既述の形態に同じである。図８は、効果確認のための解析を示している。軸方向冷却水流１１が勝勢であり軸方向高温水流１３が劣勢であるので、放射方向面７−ｊ（ｊ＝１〜５）とテーパ面６−（ｊ＋１）の軸方向の間の窪み領域（環状窪みの軸心線を含む平面で切断される断面上）Ｋで、渦流２２が発生する。軸方向に隣り合うテーパラビリンス部分５−ｊとテーパラビリンス部分５−（ｊ＋１）との間の軸方向落差距離であるピッチは、Ａで示されている。窪み領域（フィン間領域）Ｋの半径方向落差距離（高さ）はＲで示されている。テーパラビリンス部分５−１，２，３，４，５のそれぞれの内側端と外周面１２との間は、一定に（同じに）設計されている。
【００２４】
図９は、図７に形態に対応する逆流抑制効果を示している。テーパラビリンス部分５−ｎ（ｎ＝１，１〜２，１〜５）の３通りのラビリンスシールが用意されている。その横軸はＡ／Ｒを示し、縦軸は逆流時間Ｔを示している。逆流時間は、同一軸方向距離の逆流の速度の逆数として定義される。逆流を積極的に起こすために、高温水側の圧力は冷却水側の圧力より高く設定される。ｎ＝１である場合には（ラビリンス部分は１つ）、仮想的に同じ長さの１ピッチが定義される。図９で、白丸αはｎ＝１に対応し、黒丸βはｎ＝１〜２に対応し、斜線丸γはｎ１〜５に対応する。ｎ＝１に対応するピッチがＡで規定されれば、ｎ＝１〜２に対応する１ピッチはＡ／２であり、ｎ＝１〜５に対応する１ピッチはＡ／５である。いずれの場合にも、計測時間は同じ長さの軸方向距離に対応して計測される。いずれの場合にも、回転主軸１の回転速度は同じに規定されている。
【００２５】
図１０は、単ピッチラビリンスシール５と２ピッチラビリンスシール５−１，２と５ピッチラビリンスシール５−１，２，３，４，５の寸法規定を示している。図９に示されるｊ＝１の５例に示されるように、５例の半径方向落差距離は可変であり、半径方向落差距離Ｒがより小さくなれば逆流時間Ｔはより長くなる概ね線形的な関係が見られる。黒丸βの半径方向落差距離Ｒと斜線丸γの半径方向落差距離Ｒは同じに規定されている。半径方向落差距離Ｒが同じであれば、ｎの値に概ね無関係に逆流時間は不変である。このような実験結果によれば、逆流抑制効果をより強く得るためには、半径方向落差距離Ｒがより小さいことが重要であり、テーパラビリンス部分５の個数（ｎの値）の重要度は低い。言い換えられれば、初段のテーパラビリンス部分５−６の半径方向落差距離Ｒを適正に小さく設計することが逆流抑制効果のために重要である。
【００２６】
図９は、単ピッチラビリンスシールはピッチＡが小さい領域では、逆流時間は激しく変動して設計的に不安定であるが、比Ａ／Ｒ（本明細書でコーン面の勾配係数と呼ばれる）がある程度の値ｋより大きくなるようにピッチＡを大きくし、又は、半径方向落差距離Ｒを小さくすることにより安定的に逆流抑制効果を得ることができることを示し、ｎの値に概ね無関係に勾配係数を大きく設定することが逆流抑止効果を高めることができることを示している。実験結果から下記実験式を満たすことが重要である。
勾配係数＝Ａ／Ｒ＞０．７９（又は、Ａ／Ｒ≧０．８０）
【００２７】
図１１は、テーパラビリンス部分５−３の更に他の改変の形態を示している。本形態は、テーパラビリンス部分５−ｊの放射方向面７−ｊに勾配が与えられている。放射方向面７−ｊ，（ｊ＋１）は、既述の通り、高温水側から冷却水側に流れる仮想的高温水流が流れ方向に楔効果的に絞り込まれる方向に傾斜しない面として形成されている。
【００２８】
（適用例）
本発明による高温水ポンプの軸封装置は、高圧水を供給する供給ラインに介設される高温水昇圧用ポンプにより高圧化される高温水が高温水昇圧用ポンプの回転軸と軸受ケーシングとの間に漏洩することを防止するための軸封装置として好適に用いられる。そのシーリング性能を更に確実に強化するために、高温水の流れに対向して高温水側に冷却水がする流れるように、高温水と反対側に冷却水が供給される。温度揺らぎを完全に解消することは不可能である。冷却水側に高温水が流入することが完全に防止される場合には、冷却水が逆に高温水側に漏れ出る恐れがある。高温水側に漏れ出る冷却水は、高温水昇圧用ポンプを含む循環系の内部で循環する。本発明による高温水ポンプの軸封装置は、そのような温度揺らぎを有効に抑制することにより、逆流を有効に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明による高温水ポンプの軸封装置の実施の好ましい形態を示す断面図である。
【図２】図２は、その形態の改変例を示す断面図である。
【図３】図３は、その形態の他の改変例を示す断面図である。
【図４】図４は、その形態の更に他の改変例を示す断面図である。
【図５】図５は、その形態の更に他の改変例を示す断面図である。
【図６】図６は、その形態の更に他の改変例を示す断面図である。
【図７】図７は、その形態の更に他の改変例を示す断面図である。
【図８】図８は、勾配係数を規定する断面図である。
【図９】図９は、勾配係数と逆流時間の関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、実験結果を示す形状図である。
【図１１】図１１は、その形態の更に他の改変例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…回転軸
２，５−ｊ，５−３…封止体（初段封止体）
６−ｊ，６−３…第２封止面
７−ｊ，７−３…第１封止面
９…凹凸面
１５…流路
１９…抵抗体
【図１】
2004360687.tif 000003
【図２】
2004360687.tif 000004
【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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【図１０】
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【図１１】
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