(57)【要約】      （修正有）【課題】振動特性を向上させた流体機械および軸封装置を提供する。【解決手段】ポンプは、ケーシングと、ケーシング内に収容される羽根車と、回転体を回転させる主軸１１と、主軸１１の回転部とケーシングの固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置４３ａ，４３ｂとを備える。軸封装置４３ｂは、ビスコシールを有し、回転部の中心軸に沿って、高圧側から低圧側に向かって固定部の内径Ｄ１，Ｄ２が漸増している。【選択図】図３
2017025857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシング内に収容される回転体と、
前記回転体を回転させる回転軸と、
前記回転軸または前記回転体の回転部と前記ケーシングの固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置と、
を備え、
前記軸封装置は、溝シール、ビスコシールおよびダンパーシールのいずれか、またはこれらの組合せを有し、前記回転部の中心軸に沿って、前記固定部の内径が漸減または漸増している流体機械。
【請求項２】
前記固定部の内径は、高圧側の方が低圧側よりも大きい請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記固定部の内径は、高圧側の方が低圧側よりも小さい請求項１に記載の流体機械。
【請求項４】
前記回転部と前記固定部の少なくとも一方に、耐摩耗性を高める表面処理が施されている請求項１乃至３のいずれかに記載の流体機械。
【請求項５】
前記表面処理は、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理である請求項４に記載の流体機械。
【請求項６】
前記表面処理の厚さは、５０μｍ以上、１５０μｍ以下である請求項４または５に記載の流体機械。
【請求項７】
前記表面処理の厚さは、８０μｍ以上、１２０μｍ以下である請求項４または５に記載の流体機械。
【請求項８】
前記流体機械はポンプであり、
前記回転体は羽根車である請求項１乃至７のいずれかに記載の流体機械。
【請求項９】
流体機械の回転部と固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置であって、
溝シール、ビスコシールおよびダンパーシールのいずれか、またはこれらの組合せを備え、
前記回転部の中心軸に沿って、前記固定部の内径が漸減または漸増している軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体と機械の間でエネルギー変換をする流体機械に関し、特に、流体機械における軸封装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を移送するポンプ等の流体機械は、発電、化学プロセス、下水道、上水道、など各種のプラントや設備に幅広く使用されている。ポンプは、ケーシング内部に羽根車を装着した回転軸が、軸受により回転自由に支持されている。そして、吸込口から吸込まれた液体を、羽根車の回転により昇圧し、吐出口から吐出させる。ポンプ内部の流路において、固定部（ケーシング）と回転部（回転軸及び回転体）との僅かな隙間はシールされ、昇圧された液体の低圧側への漏洩が少なくなるようにしている（特許文献１）。これは、高圧側から低圧側への流体の漏洩が、ポンプ等の流体機械の効率を低下させる大きな要因となるからである。
【０００３】
流体機械のシールには、接触シールと非接触シールとがある。流体機械のシールは、流体機械の性能及び効率等を考慮しながら何れかの方法を採用している。接触シールは、メカニカルシールに代表されるように、摺動面を有し潤滑油を必要とするが、漏れは少ない。非接触シールは、メカニカルシールと比べると軸封効果が劣るが、摺動面がなく潤滑油を必要としないと言う大きな長所がある。
【０００４】
非接触シールとしては、フランジ面に溝を設けた溝シール、フランジ面に複数の凹部を形成したダンパーシール、軸にネジを切ったビスコシール、フランジ面と軸の双方に凹凸を設けてラビリンス通路を形成したラビリンスシールなどがある。溝シールやダンパーシールは、シールの段差によって膨張、収縮を繰り返し、圧力段差をつくってシールする。ビスコシールはネジ効果によって流体を圧縮し、高圧域を作りシールする。ラビリンスシールは、流体が高圧側から狭い隙間を通って広い隙間に入る過程でエネルギーを消失させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２１９０２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ポンプ等の流体機械には、様々な原因によって振動が発生するが、振動の原因の一つは不安定流体力である。不安定流体力は、シール内の流体の流速が円周方向成分を持った状態で軸が径方向に変位して、シール内の流体の流速の円周方向分布に不平衡が起こることで生じる力である。
本発明は、シール内の不安定流体力を抑制し、振動特性を向上させた流体機械および軸封装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の流体機械は、ケーシングと、前記ケーシング内に収容される回転体と、前記回転体を回転させる回転軸と、前記回転軸または前記回転体の回転部と前記ケーシングの固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置とを備え、前記軸封装置は、溝シール、ビスコシールおよびダンパーシールのいずれか、またはこれらの組合せを有し、前記回転部の中心軸に沿って、前記固定部の内径が漸減または漸増している構成を有する。また、前記固定部の内径は、高圧側の方が低圧側よりも大きくてもよい。また、前記固定部の内径は、高圧側の方が低圧側よりも小さくてもよい。
【０００８】
平滑シールにおいては、固定部の内径が漸減または漸増している構成により、振動特性が安定しやすいことが知られている（「ポンプ用シールの動特性に関する研究」日本機械学会論文集（Ｃ編）５０巻４６０号（昭５９−１２）２３３０〜２３３７頁）。従来、溝シール、ビスコシールおよびダンパーシールにおいては、固定部の内径は一定であったが、本発明は、これらのシールを有する軸封装置に対して、固定部の内径を漸減または漸増する構成を適用することによって、これらのシールの振動特性を向上させた流体機械を提供するものである。
【０００９】
本発明の流体機械は、前記回転部と前記固定部の少なくとも一方に、耐摩耗性を高める表面処理が施されていてもよい。このように回転部及び固定部の少なくとも一方に耐摩耗性を高める表面処理が施されていることにより、軸封装置の耐摩耗性を向上させ、溝シール、ビスコシールおよびダンパーシール等の凹凸を維持し、長期に亘ってシール効果を発揮させることができ、流体機械の耐久性を高めることができる。また、軸封装置の全体を硬質材料で構成するのではなく、表面処理により耐摩耗性を高めることにより、コストを抑制することができる。
【００１０】
本発明の流体機械において、前記表面処理は、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理であってもよい。また、前記表面処理の厚さは、好ましくは、５０μｍ以上、１５０μｍ以下であり、さらに好ましくは、８０μｍ以上、１２０μｍ以下であってもよい。
【００１１】
前記流体機械はポンプであり、前記回転体は羽根車であってもよい。羽根車を有するポンプに対して、本発明の構成を適用することにより、溝シール、ビスコシールおよびダンパーシールのいずれか、またはこれらの組合せを有するポンプの振動特性を向上させることができる。
【００１２】
本発明の軸封装置は、流体機械の回転部と固定部との対向部位の間隙をシールする軸封装置であって、溝シール、ビスコシールおよびダンパーシールのいずれか、またはこれらの組合せを備え、前記回転部の中心軸に沿って、前記固定部の内径が漸減または漸増している構成を備える。
【００１３】
この構成により、溝シール、ビスコシールおよびダンパーシールのいずれか、またはこれらの組合せを有する軸封装置の振動特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、溝シール、ビスコシールおよびダンパーシールのいずれか、またはこれらの組合せを有する流体機械および軸封装置の振動特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態のポンプの構成を示す図である。
【図２】図１に示すポンプの１段目羽根車の拡大図を示す図である。
【図３】第１の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。
【図４】羽根車に適用された軸封装置の構成を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例に係る軸封装置の構成を示す図である。
【図６】第２の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。
【図７】第２の実施の形態の変形例に係る軸封装置の構成を示す図である。
【図８】第３の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。
【図９】第３の実施の形態の変形例に係る軸封装置の構成を示す図である。
【図１０】第４の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態に係る流体機械について、ポンプを例として取り上げ、図面を参照して説明する。以下では、多段遠心ポンプを例として説明するが、本発明の流体機械は、多段遠心ポンプに限られず、斜流ポンプ、軸流ポンプ等であってもよい。また、段数についても、多段に限られず、単段ポンプであってもよい。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態に係る高圧ポンプ１を示す断面図である。この高圧ポンプ１は、電動機に連結されて回転する主軸１１と、主軸１１に嵌合されてこの主軸１１と共に回転する羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃと、羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃを収容するケーシング３１と、ケーシング３１に取り付けられて、主軸１１を回転自在に支持する軸受４０とを備えている。この高圧ポンプ１を回転駆動するための電動機（図示略）は、主軸１１の左端に嵌合されたカップリング１３を介して連結される。
【００１８】
主軸１１に締結された１段目羽根車２１ａは、主軸１１の回転に伴って回転し、吸込み口３３から流体を高圧ポンプ１内へと導く。１段目羽根車２１ａにより昇圧された流体は、第１流路３５ａを通り、２段目羽根車２１ｂへと導かれる。２段目羽根車２１ｂによって昇圧された流体は、第２流路３５ｂを通過し３段目羽根車２１ｃへと導かれる。流体は３段目の羽根車２１ｃで更に昇圧されて、吐出し口３７より吐出され、図示していない配管によって移送される。流体は、１段目羽根車２１ａ、２段目羽根車２１ｂそして３段目羽根車２１ｃによって昇圧される。
【００１９】
各羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃの吸込側と吐出側には、必ず低圧側と高圧側が生じる。高圧側と低圧側が生じると、僅かな隙間を通して、高圧側から低圧側へ一部の流体は漏洩しようとする。つまり、ケーシング３１と羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃとの隙間を通って、高圧側から低圧側への液体の流れが生じる。液体の漏洩量が多ければポンプ効率は低下するので、流体の漏洩を防止することが望ましい。ポンプ１には、流体の漏洩を抑制するために、円で囲んだ部位に、非接触環状シールが設けられている。
【００２０】
図２は、図１に開示した羽根車２１ａ、２１ｂ、２１ｃの内の、１段目羽根車２１ａの拡大図を示す。ポンプ１における流体の漏洩箇所は主に、羽根車吸込口２３の外周面とケーシング３１との対向部位Ｘと、羽根車２１ａの背面の外周面とケーシング３１との対向部位Ｙである。これら各対向部位Ｘ，Ｙに形成される隙間に、本実施形態に係る非接触環状シール４１、４３が設置される。このシール４１、４３によって、流体の漏洩を低減させる軸封装置が構成される。
【００２１】
図２を用いて流体の漏洩のメカニズムを説明する。主軸１１に嵌合された羽根車２１ａは、主軸１１が回転すると同時に回転して、羽根車吸込口２３から流体を吸い込む。吸い込まれた流体は、回転する羽根によってエネルギーを与えられ、流路内で高圧となり吐出される。吐出された高圧の流体は、多段ポンプであればケーシング３１の流路を流れ、次の２段目羽根車２１ｂに移送される。単段ポンプ（図示略）の場合であれば、ケーシングの流路を通り吐出配管へと導かれる。勿論、多段ポンプであっても最終段の羽根車であれば、ケーシング３１の流路から吐出し配管へと導かれる。しかし、高圧側の吐出口２５から流れ出る流体のごく一部は、羽根車２１ａとケーシング３１との間の僅かな間隙から、低圧側に流れ出る。流れ出た流体は漏洩流体であり、当然ながらポンプ１の効率を低下させる。
【００２２】
ポンプの効率を低下させないために、本実施の形態の高圧ポンプ１は、図２に示すように、回転部としての羽根車２１ａと固定部としてのケーシング３１の間隙に、非接触環状シール４１を設け、また、回転部としての主軸１１と固定部としてのケーシング３１との間隙に非接触環状シール４３を設けて隙間を狭くし、漏洩流量を少なくする工夫をしている。
【００２３】
図３は、対向部位Ｙにおける非接触環状シール４３の一部を拡大して示す図である。主軸１１側の非接触環状シール４３ａには、ネジ４３ｃが形成されており、ビスコシールを構成している。なお、非接触環状シール４３ａは、主軸１１の外側を取り囲むように設けられている（図２参照）。ビスコシールは、主軸１１が回転すると、ポンピング効果により流体を高圧側へ押し返し、高圧側からの流体の漏洩をシールする。ケーシング３１、つまり固定側の非接触環状シール４３ｂの内径は、非接触環状シール４３ｂの高圧側の内径をＤ１、低圧側の内径をＤ２とすると、Ｄ１＜Ｄ２であり、高圧側から低圧側に向かって漸増している。
【００２４】
図４は、対向部位Ｘにおける非接触環状シール４１の一部を拡大して示す図である。非接触環状シール４１は、羽根車２１ａ側にネジ溝シール４１ａを有している。ネジ溝シール４１ａは、羽根車２１ａが回転すると、ポンピング効果により流体を高圧側へ押し返し、軸封特性に優れている。ケーシング３１、つまり固定側の非接触環状シール４１ｂの内径は、高圧側から低圧側に向かって漸増している。
【００２５】
このように本実施の形態では、固定側の非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの内径が高圧側から低圧側に向かって漸増する構成を備えているため、軸封装置の振動特性を向上させることができる。
【００２６】
なお、本実施の形態では、非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの内径が高圧側から低圧側に向かって漸増する軸封装置について説明したが、図５に示すように、非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの内径は高圧側から低圧側に向かって漸減する構成としてもよい。この構成によっても、非接触環状シール４１，４３の振動特性を向上させることができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の高圧ポンプについて説明する。第２の実施の形態の高圧ポンプの基本的な構成は、第１の実施の形態の高圧ポンプ１と同じであるが（図１、図２参照）、非接触環状シール４１、４３の構造が異なる。
【００２８】
図６は、対向部位Ｙにおける非接触環状シール４３の一部を拡大して示す図である。主軸１１側の非接触環状シール４３ａは、主軸１１の外側を取り囲むように設けられている（図２参照）。ケーシング３１、つまり固定側の非接触環状シール４３ｂには、複数の溝４３ｄが切ってある。この溝４３ｄの段差によって流体の膨張、収縮を繰り返し、圧力段差によって高圧側からの流体の漏洩をシールする。また、非接触環状シール４３ｂの内径は、高圧側から低圧側に向かうに従って漸増している。図６において、溝４３ｄが切られていない部分の径をＤ１〜Ｄ６で示しているが、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４＜Ｄ５＜Ｄ６である。なお、対向部位Ｘにおける非接触環状シール４１も同様の構成を有している。
【００２９】
このように本実施の形態では、固定側の非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの内径が高圧側から低圧側に向かって漸増する構成を備えているため、非接触環状シール４１，４３の振動特性を向上させることができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの内径が高圧側から低圧側に向かって漸増する軸封装置について説明したが、図７に示すように、非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの内径は高圧側から低圧側に向かって漸減する構成としてもよい。この構成によっても、非接触環状シール４１，４３の振動特性を向上させることができる。
【００３１】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態の高圧ポンプについて説明する。第３の実施の形態の高圧ポンプの基本的な構成は、第１の実施の形態の高圧ポンプ１と同じであるが（図１、図２参照）、非接触環状シール４１、４３の構造が異なる。
【００３２】
図８は、対向部位Ｙにおける非接触環状シール４３の一部を拡大して示す図である。主軸１１側の非接触環状シール４３ａには、ネジ４３ｃが形成されており、ビスコシールを構成している。一方、ケーシング３１、つまり固定側の非接触環状シール４３ｂには、複数の溝４３ｄが切られている。そして、非接触環状シール４３ｂの内径は、高圧側から低圧側に向かうに従って漸増している。図６において、溝４３ｄが切られていない部分の径をＤ１〜Ｄ６で示しているが、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４＜Ｄ５＜Ｄ６である。なお、対向部位Ｘにおける非接触環状シール４１も同様の構成を有している。
【００３３】
なお、本実施の形態では、非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの内径が高圧側から低圧側に向かって漸増する軸封装置について説明したが、図９に示すように、非接触環状シール４１ｂ，４３ｂの内径は高圧側から低圧側に向かって漸減する構成としてもよい。この構成によっても、非接触環状シール４１，４３の振動特性を向上させることができる。
【００３４】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態の高圧ポンプについて説明する。第４の実施の形態の高圧ポンプの基本的な構成は、第１の実施の形態の高圧ポンプと同じであるが（図１、図２参照）、非接触環状シール４１ａ、４３ａの表面に硬質材料による表面処理が施されている点が異なる。
【００３５】
図１０は、第４の実施の形態の軸封装置の構成を示す図である。図１０に示すように、非接触環状シール４３ａの表面には、硬質材料からなる表面処理部４４が形成されている。表面処理部４４の厚さは５０μｍ〜１５０μｍであり、好ましくは８０μｍ〜１２０μｍである。硬質材料としては、Ｃｒめっき、Ｎｉ−Ｗめっき、またはＷＣを用いることができる。非接触環状シール４３ａに対して、Ｃｒめっき加工処理、Ｎｉ−Ｗめっき加工処理、またはＷＣ溶射処理を行うことによって、表面処理部４４が形成される。
【００３６】
このように本実施の形態では、非接触環状シール４３ａの表面に硬質材料からなる表面処理部４４が形成されているため、高圧ポンプ内を流れる流体中に含まれる不純物によるシール表面の摩耗を抑制することができる。これにより、長期に亘ってネジの形状を維持し、シール効果を保持することができる。
【００３７】
なお、第４の実施の形態では、ビスコシールに対して表面処理を行う例について説明したが、表面処理の対象はビスコシールに限らず、第２の実施の形態で説明した溝シールや、第３の実施の形態で説明した溝シールとネジシールの組合せの構造に対しても適用することができる。
【００３８】
（変形例）
上記した実施の形態では、固定側の非接触環状シールの内径を漸減または漸増する構成を、ビスコシールと、溝シールと、これらの組合せに適用する例を挙げたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、例えば、ダンパーシールにも適用することができる。ダンパーシールは、シールのフランジ面に、円形状や六角形状などの所定の形状を有する複数の凹部を設けた構成を有するシールである。ダンパーシールは、凹部の段差によって流体の膨張、収縮を繰り返し、この圧力段差によって高圧側からの流体の漏洩をシールする。ダンパーシールは、ネジ溝シールでは低減できない振動を振動減衰効果によって低減させることができ、振動特性に優れているので、固定部側の内径を漸減または漸増させる構成と相俟って、振動特性をいっそう向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、流体と機械の間でエネルギー変換をする流体機械等として有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１１  主軸
１３  カップリング
２１ａ  １段目羽根車
２１ｂ  ２段目羽根車
２１ｃ  ３段目羽根車
２３  羽根車吸込口
３１  ケーシング
３３  吸込み口
３５ａ、３５ｂ  流路
３７  吐出し口
４１、４３  非接触環状シール
４３ａ  非接触環状シール（回転側）
４３ｂ  非接触環状シール（固定側）
４１ｃ、４３ｃ  ネジ
４３ｄ  溝
【図１】
2017025857.tif 000003
【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】
2017025857.tif 000009
【図８】
2017025857.tif 000010
【図９】
2017025857.tif 000011
【図１０】
2017025857.tif 000012