(57)【要約】      （修正有）【課題】高温高圧の缶水に曝されても、軸封部からの漏れをなくすことができる耐圧特性に優れた遊動環型メカニカルシールの提供。【解決手段】回転側と一体に回転する回転環２に保持されるシールリング３と静止側にスプリングリテーナを介して保持される静止環５との間に遊動環６を挟圧保持し、前記シールリング３と遊動環６との摺動面によりシールを行う遊動環型メカニカルシールにおいて、前記シールリング３と回転環２との間にポリテトラフルオロエチレンシート３０を設置した。【選択図】  図２
2004293766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転側と一体に回転する回転環に保持されるシールリングと静止側にスプリングリテーナを介して保持される静止環との間に遊動環を挟圧保持し、前記シールリングと遊動環との摺動面によりシールを行う遊動環型メカニカルシールにおいて、前記シールリングと回転環との間にポリテトラフルオロエチレンシートを設置したことを特徴とする遊動環型メカニカルシール。
【請求項２】
前記シールリング及び前記遊動環が共にシリコンカーバイドであることを特徴とする請求項１記載の遊動環型メカニカルシール。
【請求項３】
前記ポリテトラフルオロエチレンシートの厚さを０．２ｍｍとしたことを特徴とする請求項１または２記載の遊動環型メカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強制循環ボイラに用いられる缶水循環ポンプのように高圧条件下で用いられる遊動環型メカニカルシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電所等の強制循環ボイラにおいては、ボイラに缶水を強制的に循環させるため「缶水循環ポンプ」と呼ばれるポンプが使用されている。この缶水循環ポンプを使用する強制循環ボイラでは、いわゆるＤＳＳ（Ｄａｙ  Ｓｔａｒｔ  ａｎｄ  Ｓｔｏｐ）に伴うボイラ運転の休止時に極力ボイラ内を高温高圧に保つホットバンキングを実施することで、運転休止時間を長く確保して缶水循環ポンプ等の運転動力消費を低減すると共に、運転再開時の立ち上げに要する時間を短縮することが望まれている。
【０００３】
このような背景から、高温高圧の状態で休止した強制循環ボイラでは、インジェクション水（封水）の供給が停止されることもあって、停止した缶水循環ポンプの軸封部にボイラ内圧とほぼ同様の高圧が作用することになる。このため、缶水循環ポンプにおいては、軸封部が高圧に耐え得るようにするため、グランドパッキンシールタイプからメカニカルシールタイプに変更されてきている。
また、一般的なメカニカルシールでは、高圧下で使用した場合にシール面となるシールリングと静止環との接触面が平行を維持できずにシール性を損なうことが知られており、したがって、静止環から分割させた遊動環を備えている遊動環型のメカニカルシールが採用される。
【０００４】
そこで、従来の遊動環型メカニカルシールを図６に基づいて簡単に説明する。図６において、符号の１は回転軸、２は回転環、３はシールリング、４はシールケーシング、５は静止環、６は遊動環、７はスプリングリテーナ、８はスプリング、９はバックアップリング、１０はＯリング、１１はアダプタを示している。
なお、回転環２及びシールリング３は回転軸１に取り付けられた図示省略のインペラと一体に回転する構成部材であり、他のシールケーシング４、静止環５、遊動環６、スプリングリテーナ７等は固定側の構成部材となる。
【０００５】
遊動環６は、回転環２に固定されたシールリング３と、シールケーシング４に軸線方向摺動自在に保持され、かつ回転環方向に付勢された静止環５との間に挟圧保持され、両端側部分がほぼ対称形状をなす円環状の部材である。この場合、缶水等高温高圧の被密封流体領域Ｈと大気圧の非密封流体領域Ｌとの間は、シールリング３と遊動環６との接触面であるシール面３ａ，６ａの相対回転摺接作用により遮蔽シールするように構成されている。
一般的な従来構成では、遊動環６にはコバルトバインダー超硬合金製のものが用いられ、また、バックアップリング９にはグラスファイバー入りポリテトラフルオロエチレンが用いられている。
なお、ポリテトラフルオロエチレンは、一般的には「テフロン（登録商標）」という商品名で広く知られているフッ素樹脂のことである。
このような遊動環を有するメカニカルシールの公知文献としては、例えば下記の特許文献１がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１９８０４２号公報（第３−４頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の遊動環型メカニカルシールでは、強制循環ボイラ内の圧力に近い高圧が作用するような条件下ではリークが発生してしまい、十分なシール機能を発揮することができなかった。このため、缶水循環ポンプの遊動環型メカニカルシールでは、封水を導入して高圧に対応するなど軸封部へ作用する圧力を極力低く抑え、メカニカルシール部の耐圧条件を緩和して使用しているのが現状である。
したがって、使用可能な耐圧条件をできるだけ高く設定できるようにして、高温高圧の缶水に曝されてもリークのない缶水循環ポンプの遊動環型メカニカルシールが望まれている。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、高温高圧の缶水に曝されても軸封部からの漏れをなくすことができる、耐圧特性に優れた缶水循環ポンプの遊動環型メカニカルシールの提供を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の遊動環型メカニカルシールでは、回転側と一体に回転する回転環に保持されたシールリングと静止側にスプリングリテーナを介して保持された静止環との間に遊動環を挟圧保持し、前記シールリングと遊動環との摺動面によりシールを行う遊動環型メカニカルシールにおいて、前記シールリングと回転環との間にポリテトラフルオロエチレンシートを設置したことを特徴とするものである。
【００１０】
このような遊動環型メカニカルシールによれば、シールリングと回転環との間に摩擦力を低減するポリテトラフルオロエチレンシートを設置したので、比較的長い時間をかけた大きな圧力変化があってもシールリングがスライドするようになり、スライドリングの変形が防止されて常に平面当たりのシール面を維持できる。
【００１１】
また、請求項１に記載の遊動環型メカニカルシールにおいては、前記シールリング及び前記遊動環が共にシリコンカーバイドであることが好ましい。
そして、請求項１または２に記載の遊動環型メカニカルシールにおいては、前記ポリテトラフルオロエチレンシートの厚さを０．２ｍｍとするのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る缶水循環ポンプの遊動環型メカニカルシールの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
最初に、本発明による缶水循環ポンプの遊動環型メカニカルシールが適用される缶水循環ポンプについて、図３の系統図を参照して簡単に説明する。
図３において、符号の１００はボイラ本体、１１０は蒸気ドラム（缶）、１２０は水ドラム、１３０はバーナ、１４０は節炭器、１５０は高圧ヒータ、１６０は給水ポンプ、１７０はブースタポンプ、２００は缶水循環ポンプ、２１０は吸込弁、２２０は吐出弁、２３０は駆動モータである。
【００１３】
ボイラ１００の蒸気ドラム１１０は、缶水循環ポンプ２００から供給された缶水をバーナ１３０で加熱した蒸気と、給水ポンプ１６０から供給され高圧ヒータ１５０及び節炭器１４０を通過したボイラ給水とが導かれ、蒸気ドラム１２０内は蒸気と水（缶水）との２相状態にある。このうち、一方の蒸気は主蒸気としてタービンへ供給されて仕事をし、他方の缶水は缶水循環ポンプ２００に吸引される。
缶水循環ポンプ２００は竪型ポンプであり、蒸気ドラム１１０から吸引した缶水を水ドラム１２０へ供給する。通常の運転時は、給水ポンプ１６０から高圧ヒータ１５０へ給水する給水ラインの途中から分岐させたインジェクション水ライン２４０を通して、給水の一部を缶水循環ポンプ２００にインジェクション水として供給している。
【００１４】
図４は缶水循環ポンプ２００の概要を示しており、上部に位置する駆動モータ２３０と下部に設けられたインペラ２０１とが、一本の回転軸１で連結されている。駆動モータ２３０とインペラ２０１との間は原動機台２０２と呼ばれ、該原動機台２０２内の上部には軸受２０３が、そして下部には後述する遊動環型メカニカルシール２０が組み込まれている。
【００１５】
後述する遊動環型メカニカルシール（以後、「メカニカルシール」と呼ぶ）２０における缶水のシール方法としては、ボイラ運転中は給水ポンプ１６０も運転されているため、上述したインジェクション水を上下のフローティングリング２０４、２０５間に導入し、このインジェクション水により封水して缶水がインペラ２０１から上昇するのを抑制することができる。
なお、フローティングリング２０４，２０５間に導入されたインジェクション水（図中に太線矢印で示す）は、一部が缶水と合流して水ドラム１２０へ送水され、残りは図示省略の脱気器などへ導かれる。
【００１６】
また、導入したインジェクション水は、フローティングリング２０４，２０５でたとえば９８Ｐａ（１０ｋｇ／ｃｍ２  ）程度まで減圧した後、メカニカルシール２０で最終的なシールがなされる。
【００１７】
しかし、ボイラ運転を停止したホットバンキング中は、給水ポンプ１６０の運転も停止されるため、図５に示すように、インジェクション水の供給がなくなって封水ができなくなる。
このため、たとえば１９６０Ｐａ（２００ｋｇ／ｃｍ２  ）程度とボイラ本体１００内とほぼ同様の高圧となる缶水が、図中に太線矢印で示すように回転軸１に沿って上昇するので、高温高圧の缶水圧力をメカニカルシール２０だけでシールする必要が生じる。
【００１８】
ここで使用する遊動環型のメカニカルシール２０は、一実施形態として図１に示すように、ポンプの回転軸１と一体的に動作する回転側の主な構成要素として回転環２及びシールリング３等があり、また、静止側の主な構成要素としては、スプリングリテーナ７、アダプタ１１、静止環５及び遊動環６等がある。
このメカニカルシール２０では、静止側となる遊動環６のシール面６ａと回転側となるシールリング３のシール面３ａとの接触面における相対回転摺接作用により、高圧流体側の被密封流体領域Ｈと大気圧の非密封流体領域Ｌとに遮蔽シールするように構成されている。
【００１９】
スプリングリテーナ７に保持されたスプリング８は、静止環５及び遊動環６に付勢してシールリング３へ向けて上から下へ押圧する機能を有しており、バックアップリング９を介して配設したＯリング１０により、静止環５とスプリングリテーナ７との間をシールして、高圧流体側の被密封流体領域Ｈから大気圧の非密封流体領域Ｌへ缶水が漏れないようにしている。
【００２０】
遊動環６は、円環状をなす本体部の両端面に突設されたほぼ同一形状をなす円環状の押圧部６１及びシール部６２からなる断面凸字形状の部材であり、押圧部６１の端面が静止環５の端面５ａに接触すると共に、シール部６２の端面であるシール面６ａがシールリング３の端面たるシール面３ａと摺接する。
また、この遊動環６には、図１（ｂ）に示すように、シール面６ａを部分的に切り欠いてハイドロカット部６ｂを設けてある。このハイドロカット部６ｂは、相対回転摺接するシール面３ａ，６ａ間に冷却等を目的とする潤滑水が供給されるようにしたもので、たとえば遊動環６の外周部に４５度のピッチで８箇所設けられている。なお、ハイドロカット量は１ｍｍが望ましい。
【００２１】
上述した構成の遊動環型のメカニカルシール２０は、高圧特性に優れていることが知られているが、たとえば缶水循環ポンプにおいて封水がなくなったような運転条件下の缶水（１９６０Ｐａ程度の高圧流体）でもリークが生じないようにするためには、さらに耐圧特性を向上させる必要がある。
そこで、高圧におけるリークの原因を追及するため、発明者らは種々の試験・研究を行ってきた。
【００２２】
この結果、第１の成果として、メカニカルシール２０は、所定の設定圧力まで上昇する途中、あるいは所定の設定圧力から下降する圧力変化の途中においてリークが発生する領域があることを発見した。すなわち、設定圧力に向けて上昇する過程または設定圧力から下降する過程のある中間圧力帯においてのみ、リークが発生することを発見したのである。
【００２３】
このような中間圧力帯でリークが発生する原因は、圧力変化の過程でシールリング３等の各接面部に微妙な滑りが生じ、その滑りによってシールリング３が変形するなどして傾くためと推測される。すなわち、リークが発生する中間圧力帯まで圧力上昇する過程では、接面部の摩擦力が上回るため接触位置に滑りは生じない。しかし、中間圧力帯まで圧力上昇すると、摩擦力の方が小さくなるため上述した滑りを生じ、シールリング３のシール面３ａが内径側（回転軸１側）において大きく開口する形の線当たりの状態に傾くため、隙間が生じてリークを発生する流路が形成されるものと考えられる。
【００２４】
そして、このような中間圧力帯からさらに圧力が上昇すると、今度はシールリング３が逆方向に滑って平行平面に復元するので、上述した隙間がなくなってリークの発生は止まるものと考えられる。
なお、圧力が所定圧力から下降する過程では、上述した圧力上昇時とは逆の動作でリークが発生したり止まったりするものと考えられる。
【００２５】
このように推測されるリーク発生のメカニズムから、本発明では、以下に説明するように、シールリング３と回転環２との間の摩擦力を低減することで滑りやすい構造とし、中間圧力帯のリークを防止することを考えた。
図２に示す遊動環型メカニカルシールでは、シールリング３と回転環２との間に設置する最適な摩擦力低減層（部材）として、ポリテトラフルオロエチレンシート３０が回転環２に固着されている。
【００２６】
このポリテトラフルオロエチレンシート３０は、摩擦力が極めて低いだけでなく、高温高圧にも耐えうるものであるから、特に缶水循環ポンプの軸封部のように、高温高圧の作動流体をシールするには最適である。このポリテトラフルオロエチレンシート３０を設置すると、シールリング３と回転環２との間における摩擦係数は、摩擦力低減部材を設置していない従来のものと比較して桁違いに低減される。したがって、摩擦力についても大幅な低減が達成されるため、小さな圧力帯を除くほとんどの圧力帯でシールリング３に滑りが生じることとなる。
【００２７】
この結果、上述したような中間圧力帯におけるシールリング３の変形状態が生じるようなことはなく、したがって、これを原因とするリークの発生は防止される。なお、このメカニカルシールを缶水循環ポンプに適用して試験を実施したところ、封水が停止されて缶水の高温高圧が作用する条件下においても、圧力変動中の中間圧力帯を含め、リークが生じないことを確認できた。
また、ポリテトラフルオロエチレンシート３０の厚さについては、シール面圧に影響を与えず、しかも強度的な問題をも考慮すると、０．２ｍｍが最も好ましいことが確認された。
【００２８】
さらに、このような摩擦力低減部材をシールリング３と回転環２との間に設置する構造の遊動環型メカニカルシールでは、シールリング３及び遊動環６を同一素材であるシリコンカーバイドとしてある。
これは、メカニカルシール２０が高温高圧の作動流体に曝された場合、シールリング３や遊動環６のシール面３ａ，６ａに肌荒れが発生することがあり、これがリークの原因となることを発見したためである。したがって、肌荒れを防止するには、シールリング３と遊動環６とをシリコンカーバイドとすることが最も適していることが確認された。この結果、高圧に対するメカニカルシール２０のリーク防止機能がより一層向上し、耐久性や信頼性も向上することになる。
【００２９】
また、上述した実施形態では、摩擦低減層を回転環２側に固着するものとして説明したが、シールリング３の背面に摩擦低減層を形成するという主旨から、たとえばシールリング３側にポリテトラフルオロエチレンシートを固着したり、あるいは、シールリング３側と回転環２側の両方にポリテトラフルオロエチレンシートを固着するなどの変形例が可能である。
なお、摩擦低減層は必ずしもポリテトラフルオロエチレンシートに限定されるものではなく、たとえば温度条件が低いときなど他のフッ素樹脂等を低摩擦部材として採用してもよいし、あるいは表面処理等による低摩擦化も可能である。
【００３０】
これまで説明したメカニカルシールは、強制循環ボイラの缶水循環ポンプの軸封部に限定されることはなく、特に高温高圧の流体を扱うポンプ類の軸封構造として広く適用可能なことは言うまでもない。
そして、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜組合せたり変更したりすることが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のメカニカルシールによれば、以下の効果を奏する。
（１）シールリングと回転環との間に摩擦力を低減するポリテトラフルオロエチレンシートを設けたので、たとえば缶水循環ポンプのように時間をかけてゆっくりとしかも大きな圧力変動をするような使用条件下においても、変形が生じる前にシールリングが摩擦力の低いポリテトラフルオロエチレンシートに沿って移動するため、流体圧力によって変形するのを防止することができる。したがって、中間圧力帯においても遊動環とシールリングとの接触面であるシール面の平行性が損なわれるようなことはなく、良好なシール機能を高圧までの全圧力帯で確実に発揮させることができる。
（２）シールリング及び遊動環が同一部材（シリコンカーバイド）になれば、肌荒れの発生を抑制または防止でき、高圧に対する耐久性や信頼性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る遊動環型メカニカルシールの一実施形態を示す図で、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は遊動環のハイドロカット部を示す拡大図である。
【図２】図１に示した遊動環型メカニカルシールの要部拡大断面図である。
【図３】強制循環型ボイラの概略構成を示す系統図である。
【図４】図３の強制循環型ボイラに用いられる缶水循環ポンプの概要を示す断面図であり、インジェクション水のポンプ内経路を示している。
【図５】図４に示す缶水循環ポンプへのインジェクション水供給が停止され、缶水が軸封部に流れる経路を示す図である。
【図６】従来の遊動環型メカニカルシールを示す断面図である。
【符号の説明】
１    回転軸
２    回転環
３    シールリング
３ａ  シール面
５    静止環
６    遊動環
６ａ  シール面
６ｂ  ハイドロカット部
７    スプリングリテーナ
８    スプリング
９    バックアップリング
１０    Ｏリング
１１    アダプタ
２０    遊動環型メカニカルシール
３０    ポリテトラフルオロエチレンシート
【図１】
2004293766.tif 000003
【図２】
2004293766.tif 000004
【図３】
2004293766.tif 000005
【図４】
2004293766.tif 000006
【図５】
2004293766.tif 000007
【図６】
2004293766.tif 000008