JP4458404B2

JP4458404B2 - Shaft seal device

Info

Publication number: JP4458404B2
Application number: JP2003177918A
Authority: JP
Inventors: 浩二秋山; 博幸落合; 英次若菜; 温一奥田
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd; EagleBurgmann Japan Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd; EagleBurgmann Japan Co Ltd
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2023-06-23
Also published as: JP2005016538A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温及び高圧の被密封流体をシールする軸封装置に係わる。更に詳しくは、例えば、工業用燃料電池、ガスタービン、ターボ機械等のシールに於いて、高温で高圧の被密封流体をシールする軸封装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に係わる関連技術には、高温・高圧の被密封流体をシールする軸封装置が存在する。この軸封装置は、ラビリンスシールとカーボンシールリングを回転軸の廻りに軸方向へ多数個を並列した構成のものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１０８２０１号公報（２頁−３頁、図１）
【０００４】
この特許文献１に代表される軸封装置１００は、図６の断面図に示すように構成されている。図６に於いて、ケーシング１２０の孔にはフランジ１０５Ｃ付きのシールハウジング１０５が嵌合されている。このシールハウジング１０５の穴内にはインぺラー１５５と一体の回転軸１５０が嵌挿されている。
【０００５】
この回転軸１５０の廻りにシールハウジング１０５に嵌着した２個の第１ラビリンスシール１１０及び第２ラビリンスシール１１３が並列に配置されている。この第１ラビリンスシール１１０と第２ラビリンスシール１１３の内周には回転軸１５０の外周面と近接する凹凸状のラビリンス片１１０Ａ、１１３Ａが形成されている。叉、第１ラビリンスシール１１０と第２ラビリンスシール１１３の間には、外部と連通する流体排出孔１０２Ｂ、１２０Ｂが設けられている。更に、第２ラビリンスシール１１３の軸方向における一方側の内周部に２個の環状溝１１３Ａ、１１３Ｂが並列に設けられており、この環状溝１１３Ａ、１１３Ｂに各カーボンシールリング１１１、１１１が回転軸１５０の径方向へ移動自在に配置されている。叉、シールハウジング１０５のフランジ１０５Ｃにはラビリンス片を設けた第３ラビリンスシール１０５Ｄが形成されており、このラビリンスシール１０５Ｄはインぺラー１５５と近接して被密封流体をシールする。そして、第１ラビリンスシール１１０と第３ラビリンスシール１０５Ｄから漏洩した被密封流体は、流体排出孔１０２Ｂ、１２０Ｂから流出される。
【０００６】
叉、第２ラビリンスシール１１３と並列にシールユニット１１５が回転軸１５０の廻りでシールハウジング１０５に嵌着している。このシールユニット１１５の内周部には、３個の環状溝１１５Ａが形成されている。この各環状溝１１５Ａにも各々カーボンシールリング１１２、１１２、１１２が径方向へ移動自在に嵌挿されている。そして、第２ラビリンスシール１１３とシールユニット１１５の間に外部と連通するパージガス用の導入孔１０２Ａ、１２０Ａが設けられている。
この導入孔１０２Ａ、１２０Ａからは、ガスが供給されて被密封流体が軸の周りから外部に流出するのを封止している。
【０００７】
このように構成された軸封装置１００は、高温の被密封流体によりケーシング１２０と回転軸１５０が熱変形して一部が互いに接近すると、第１ラビリンスシール１１０及び第２ラビリンスシール１１３の各ラビリンス片１１０Ａ、１１３Ａが回転軸の外周面に当接して損傷する。又、ラビリンス片１１０Ａ、１１３Ａが回転軸１５０に当接するのを防止するために、ラビリンス片１１０Ａ、１１３Ａと回転軸１５０の間隔を大きくすると、シール能力が悪化して、被密封流体が流体排出孔１０２Ｂ、１２０Ｂや外部へ漏洩する。又、カーボンシールリング１１２、１１５は、環状溝１１３Ａ、１１３Ｂ、１１５Ａに出没自在に嵌挿されている構成のために、耐圧能力を向上させることができないので、高圧の被密封流体がカーボンシールリング１１２、１１５に作用すると、シール能力が低下する。叉、カーボンシールリング１１２、１１５は、径方向へ出没自在に構成されているために、導入孔１０２Ａ、１２０Ａから高圧のガスを導入してカーボンシールリング１１２、１１５のシール能力を向上させることも実際問題として困難になる。
【０００８】
次に、高温・高圧の被密封流体用軸封装置としてシールハウジングと回転軸との間にメカニカルシールを設けた関連技術が存在する（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献２】
特開平１１−３５１４０７号公報。
【００１０】
この軸封装置は、回転軸とシールハウジングとの間隙を仕切るように２つの第１メカニカルシールと第２メカニカルシールが軸方向へ並列に配置されている。この第１メカニカルシールと第２メカニカルシールとの間には、中間室が存在する。そして、中間室に連通するバッファー流入通路が外部と連通している。この中間室に被密封流体の圧力より高圧のバッファーガスを供給し、このバッファーガスが各メカニカルシールと協働して各メカニカルシールのシール能力を向上させるものである。そして、被密封流体が大気側へ漏洩するのを防止する。
【００１１】
この構成による軸封装置においても、シールハウジングと回転軸とが被密封流体の高温の影響を受けて熱変形すると、熱変形に応じてメカニカルシールに於ける固定用密封環と回転用密封環の相対するシール面が径方向へずれたり又は傾斜方向へ離れたりするので、密封能力が低下する。叉、密封環のシール面に動圧発生溝が設けられている非接触形ガスシールは、シールハウジング叉は回転軸が熱変形を受けると、位置ずれや相反する方向へ傾斜するので、動圧発生力を小さくしてシール面が摺動して摩耗する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、被密封流体が高温且つ高圧であっても、軸封装置により被密封流体を確実にシールできるようにすることにある。叉、軸封装置に於ける密封環の摺動面の損傷を防止してシール能力を長期に渡り保持することにある。更に、被密封流体が有害なガスであっても、確実にシールできるようにすることにある。叉、軸封装置の故障を効果的に防止すると共に、軸封装置の製作コストを低減することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その技術的解決手段は以下のように構成されている。
【００１４】
請求項１に係わる本発明の軸封装置は、内部に貫通孔を有するシールハウジングとシールハウジングの貫通孔に嵌設された回転軸との間に配置されてシール面を有すると共にシールハウジングに保持される固定用密封環と、固定用密封環のシール面に密接する対向シール面を有して回転軸と回動する回転用密封環とを有するメカニカルシールを備え、シールハウジングの貫通孔とケーシングの内部とを被密封流体が連通可能に連結すると共に回転軸叉はケーシングの変位に応じて変形する環状の可撓連結部を有するものである。
【００１５】
この請求項１に係わる本発明の軸封装置では、高温の被密封流体によりケーシングが熱変形したり、回転軸が熱変形したりする。このケーシングと回転軸との間の軸芯のずれは±２mm以上にも達する。このような状態では、従来、ケーシングと回転軸との間に熱による相対的な寸法の変位が生じると、ラビリンスシールと回転軸とが当接し、更には、メカニカルシールの回転用密封環と固定用密封環との摺動する相対面がずれることになる。本発明のように、シールハウジングとケーシングとが可撓連結部により連結されているので、この熱変形に応じて可撓連結部が弾性変形し、回転軸に対してシールハウジングがずれないように応動する。そして、回転軸とシールハウジングとの相対位置寸法が保持されるので、シールハウジングと回転軸との間に保持されるメカニカルシール及びラビリンスシール等は、被密封流体の高温による変形の影響を受けることなく、シール能力を発揮する。叉、回転軸とシールハウジングとの相対位置寸法が保持されるので、メカニカルシール間にバッファーガスを供給してシール能力を高めると共に、バッファーガスによりメカニカルシールを冷却して耐久能力を向上させることが可能になる。
【００１６】
請求項２に係わる本発明の軸封装置は、内部に貫通孔を有するシールハウジングとシールハウジングの貫通孔に嵌設された回転軸との間に配置されてシール面を有すると共にシールハウジングに保持される固定用密封環と固定用密封環のシール面に密接する対向シール面を有して前記回転軸と回動する回転用密封環とを有するメカニカルシールを備え、前記シールハウジングの前記貫通孔と前記ケーシングの内部とを被密封流体が連通可能に連結する筒状の第1ベローズを有すると共に前記第1べローズに被嵌する少なくとも1つのべローズを有し、前記各ベローズの嵌設間に流体室を有し、且つ前記流体室に連通する流体供給用の連通路を有するものである。
【００１７】
請求項２に係わる本発明の軸封装置は、大小異なる径のベローズを嵌設して複数のベローズ間に流体室が形成されている。この流体室に流体圧力が供給されるから、複数の嵌設されたベローズの負荷が圧力流体を介して軽減されることになる。この為に、ベローズの山数を多くできる。叉、ベローズの板厚を薄肉に構成できるので、可撓性が向上する。その上、供給された流体によりベローズが冷却されて耐久能力が向上する。更に、可撓連結部に連結したシールハウジング内のメカニカルシールにおけるシール面の位置関係が保持されるのでシール面のシール能力が発揮される。叉、ベローズの可撓性が向上することにより、ベローズの作動による亀裂や損傷が効果的に防止される。
【００１８】
請求項３に係わる本発明の軸封装置は、可撓連結部が筒状体叉はベローズに形成されていると共に筒状体叉はベローズが弾性変形するように構成されているものである。
【００１９】
この請求項３に係わる本発明の軸封装置では、筒状体の板厚の厚さを薄くしたものを嵌設して可撓連結部に可撓性を持たせることができる。叉、ベローズ状に形成して可撓連結部に可撓性を持たせることもできる。その結果、ケーシングに熱変形が生じても、ケーシングの変位に左右されることなく、可撓連結部によりシールハウジングを回転軸に対して変位しない寸法関係に保持することが可能になる。そのために、メカニカルシールの相対するシール面の寸法関係が正常に保持されるのでシール面のシール能力が発揮される。この為に、可撓連結部の構造が簡単になり、加工や製作が容易になる。
【００２０】
請求項４に係わる本発明の軸封装置は、可撓連結部が超弾性合金叉は超塑性合金材で形成されているものである。
【００２１】
この請求項４に係わる本発明の軸封装置では、可撓連結部が超弾性合金叉は超塑性合金材で形成されているから、ゴム状弾性のように変形させることが可能になる。この為に、可撓連結部はベローズのような複雑な形状にすることなく弾性変形するので、連結構造を容易にすることが可能になる。この為に、可撓連結部の製作コストが低減できる。更に、可撓連結部はゴム状弾性変形するので、可撓連結部に局部的な応力が作用しても、異常な歪みの発生が防止できる。この為に、可撓連結部の損傷が防止でき、耐久能力が向上する。
【００２２】
請求項５に係わる本発明の軸封装置は、メカニカルシールと被密封流体側との間にシール部を設け、このシール部とメカニカルシールとの間の流体通路に連通するバッファーガス供給通路を有するものである。
【００２３】
この請求項５に係わる本発明の軸封装置では、シール部とメカニカルシールとの間の流体通路に連通するバッファーガス供給用の通路から供給されたガスにより、メカニカルシールと協働して被密封流体のシール能力を向上させる。更に、バッファーガスによりメカニカルシールや回転軸を冷却して密封環のシール面の異常発熱や摩耗を防止すると共に、シール能力を向上させることができる。これらの効果は、可撓連結部によりケーシングの熱変形に対してシールハウジングと回転軸との寸法を正常に保持することにより可能になる。
【００２４】
請求項６に係わる本発明の軸封装置は、流体室に連通する連通路から被密封流体より低圧の流体を流体室に供給するものである。
【００２５】
この請求項６に係わる本発明の軸封装置では、流体室に被密封流体より低圧の流体を供給することにより、被密封流体の圧力と流体室の圧力との差を利用して可撓連結部の可撓性を向上させることが可能になる。しかも、流体室へ供給する流体により可撓連結部を冷却して可撓連結部の耐久能力を向上させることが可能になる。叉、連通路から流体室に流体を供給し、回転軸やメカニカルシールを冷却して熱変形を防止することが期待できる。そして、可撓連結部によりシールハウジングと回転軸との寸法関係を、ケーシングの熱変形に係わらず、正確に保持することを可能にする。
【００２６】
請求項７に係わる本発明の軸封装置は、メカニカルシールの密封環に動圧発生溝が形成されているものである。
【００２７】
この請求項７に係わる本発明の軸封装置は、可撓連結部が弾性変形してシールハウジングを回転軸に対応して正常な位置に保持するから、ケーシングに熱変形が生じても、メカニカルシールの回転用密封環の対向シール面と固定用密封環のシール面をシール能力が発揮するように回動させることが可能になる。この為に、動圧発生溝はシール面に対し、正確な間隙と位置を保持してシール能力を発揮することが可能になる。その結果、メカニカルシールの密封環に設けられた動圧発生溝により、従来不可能であった高温・高圧の被密封流体をシールすると共に、高温・高圧によるシール面の摩耗・損傷を効果的に防止することが可能になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる好ましい実施の形態の軸封装置を、その図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図面は、正確な設計図を基にした図面である。
【００２９】
図１は本発明に係わる好ましい実施の形態を示す軸封装置１の断面図である。この軸封装置１は、燃料電池用のブロワなどに用いられる高圧・高温の被密封流体をシールするものである。図１に於いて、ブロワのケーシング７０に設けられた図示省略の軸受部に回転軸５０が回転自在に支持されている。そして、回転軸５０は外部Ｂの動力で回動されるために、ケーシング７０の外部に貫通状態に突出してモータ等に連結している。この為に、ケーシング７０と回転軸５０との間の内部Ａと外部Ｂとの間を軸封装置１によりシールする。このブロワに於ける被密封流体は、６４０°Ｃに達する高温で、且つ１から２MPaの高圧状態である。しかも、有害又は爆発性のガス（Ｈ_２，ＣＯ，ＣＨ_４）が用いられる場合もある。
【００３０】
この回転軸５０が貫通したケーシング７０には、取付部６０のフランジが金属製のＣ形シールリング６５を介してボルト４７により接合されている。このＣ形シールリング６５は断面がＣ形を成して高温の被密封流体の圧力を内周に受けてシールするように一部が開口した構成である。更に、この取付部６０にＣ形シールリング２０Ａ１を介してシールハウジング２０の連結部２０Ａがボルト４６により取り付けられている。シールハウジング２０は、全体が筒状体に形成されている。このシールハウジング２０は連結部２０Ａに設けられた可撓連結部２とシールハウジング本体を結合した構成である。このシールハウジング本体は、第１ハウジング２０Ｂと、第２ハウジング２０Ｃと、第３ハウジング２０Ｄと、スペーサ２０Ｍと、エンドカバー２０Ｋとから構成されている。この第１ハウジング２０Ｂと、第２ハウジング２０Ｃと、第３ハウジング２０Ｄと、スペーサ２０Ｍと、エンドカバー２０Ｋは、ボルト４５を介して互いに結合され、シールハウジング本体に組み立てられる。
【００３１】
可撓連結部２には、連結部２０Ａに一体の第２ベローズ２Ｂが形成されている。この第２ベローズ２Ｂのベロー部は断面が波形に形成されている。この第２ベローズ２Ｂはケーシング７０と回転軸５０との軸芯ずれが±４mm位まで変位しても対応できるように構成される。この為に、べロー部の長さと、そのべロー部の山数が芯ずれに対応して弾性変形するように設計する。この第２ベローズ２Ｂの材質は、７６％Ｎｉ、１６％Ｃｒ、８％Ｆｅの合金インコネルを採用している。このインコネル材のように、加工性に富み、耐食性に優れ、高温度でも酸化しない金属であれば他の材料も採用できる。この材料として、例えば、ステンレススチール、ニッケル合金材などがある。
【００３２】
次に、第１ハウジング２０Ｂの一端には第２ベローズ２Ｂより小径の第１ベローズ２Ａが設けられている。第１ベローズ２Ａの内周面２Ａ１は回転軸５０との間に間隙を設けて回転軸５０と接触しない寸法に設計されている。この第１ベローズ２Ａの材質も第２ベローズ２Ｂと同一のインコネル材製である。更に、第１ベローズ２Ａの材質は、加工性に富み、耐食性に優れ、高温度でも酸化しない金属、例えばステンレススチール、ニッケル合金材などが採用されている。この第１ベローズ２Ａは、第２ベローズ２Ｂの内周面２B1に挿嵌され、自由端の結合部２５Ａが連結部２０Ａに溶接されている。叉、第２ベローズ２Ｂの自由端の結合部２５Ｂが第１ハウジング２０Ｂに溶接される。この第１ベローズ２Ａの外周面と第２ベローズ２Ｂの内周面２Ｂ1との空間は流体室４に形成される。
【００３３】
各ベローズ２Ａ、２Ｂのべロー部の山数は数多くすればするほど、可撓性に富んだ変形をするが、山数を多くすれば高圧力の被密封流体に耐えられなくなる。叉、べロー部の板厚を薄肉に構成すれば可撓性に富むが、薄肉では被密封流体の圧力に耐えられなくなる。このような課題に対し、第１ベローズ２Ａと第２ベローズ２Ｂの間に流体室４を設けることにより、流体室に介在する圧力流体により第１ベローズ２Ａと第２ベローズ２Ｂが空力弾性的に支持されるので、可撓連結部２の耐圧能力と撓み能力が飛躍的に向上する。又、耐熱性については、流体室４へ被密封流体の温度より低温の流体を循環させることにより可撓連結部２の耐熱性が増すと共に、耐久能力が向上する。この実施例では、第１ベローズ２Ａと第２ベローズ２Ｂを設けた構成であるが、第３、第４、第５ベローズを嵌挿して各間に流体室を形成しながら多層構造にすることもできる。このように、各間隔に流体室を設けた多層環状構造体にすることにより被密封流体に対する耐熱と共に耐圧能力が向上する。
【００３４】
この流体室４には第１ハウジング２０Ｂに設けられた流体供給用の連通路１２が連通している。この連通路１２は第１ハウジング２０Ｂの周面に等配に複数個が設けられて流体を給排にすることもできる。この連通路１２から設定圧の窒素ガス、空気、その他のガスが供給される。この設定圧は、被密封流体の圧力により設計される。被密封流体の圧力が１．１MPaで温度が６４０°の場合、連通路１２から供給されるガスの設定圧は、０．７MPa前後にすると良い。しかも、流体室４の温度を被密封流体の温度よりも低い温度にすると良い。例えば、流体室４の温度は、被密封流体の温度よりも５℃以下の温度にすると冷却効果が生じる。
【００３５】
第２ハウジング２０Ｃの内周面には、内周に凹凸のラビリンス片９Ａ１を設けた第１ラビリンスシール９Ａが嵌着されてボルトにより螺着している。このラビリンス片９Ａ１は、第２スリーブ５２の外周面と微小間隙を設けて嵌合し、ラビリンス片９Ａ１と第２スリーブ５２との間で被密封流体を段階的に圧力降下させてシールする。この高温・高圧の被密封流体は、第１流通路１１を介して第１ラビリンスシール９Ａまで流れ、ラビリンス片９Ａ１による被密封流体の圧力降下によりシールする。このラビリンスシール９Ａは連結部２０Ａ近傍に設けてバッファーガスにより可撓連結部２を冷却するようにしても良い。
【００３６】
叉、被密封流体の通路となる第１流通路１１に於ける第１ラビリンスシール９Ａの外部Ｂ側には、第１メカニカルシール３Ａが設けられている。第１メカニカルシール３Ａは回転用密封環５Ａと固定用密封環６Ａと、その付属部品から成る。この第１メカニカルシール３Ａは、回転用密封環５Ａと固定用密封環６Ａとを互いに密接させて第１ラビリンスシール９Ａから漏洩した被密封流体をシールする。この回転用密封環５Ａは、第２スリーブ５２の接合面５２Ａに係合すると共に、第１スリーブ５１と第２スリーブ５２との間で軸方向が固着されている。そして、第２スリーブ５２に設けられたドライブピン５２Ｄを介して回転軸５０と回動する。第２スリーブ５２は、軸方向からボルト４８を第１スリーブ５１に螺合して固定されている。この第１スリーブ５１は、回転軸５０に嵌着すると共に、一端部に留金具５５がボルト４８を介して結合されている。この留金具５５は、止めボルト４９により回転軸５０に固定されているから、留金具５５を介して第１スリーブ５１を回転軸５０に固定する。
【００３７】
そして、回転軸５０が回動すると、回転軸５０と一体の留金具５５に結合した第１スリーブ５１と、第１スリーブ５１に固定された第２スリーブ５２を介して回転用密封環５Ａが回動される。この回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１には、図５の動圧発生溝５Ａ２が設けられている。この動圧発生溝５Ａ２は、対向シール面５Ａ１に、図５に示すような両回転用の溝が形成されている。この動圧発生溝５Ａ２は、メカニカルシールのうちのガスシール用として採用されている非接触形の各種の一方回転叉は両回転用の溝を利用することもできる。その例として、シール面に沿って多数個に形成された円弧状の溝に形成した動圧発生溝も利用できる。
【００３８】
固定用密封環６Ａは、第２ハウジング２０Ｃに設けられた軸方向の固定ピン２０Ｄ１により軸方向へスライド自在に係合して保持されている。叉、固定用密封環６Ａは第３ハウジング２０Ｄに支持された第１ベローズ形ばね手段７Ａにより弾発に押圧されている。そして、固定用密封環６Ａのシール面６Ａ１が回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１と密接する。
【００３９】
第２ハウジング２０Ｃには、外部から第１バッファーガス通路３１が固定用密封環６Ａの外周側の第２流通路３１Ａへ連通する状態に形成されている。この第２流通路３１Ａはラビリンスシール９Ａを介して第１流通路１１と遮断されている。固定用密封環６Ａの外周のバッファーガス通路３１と第２流通路３１Ａとの間には、絞リング２０Ｒの両端部が第２ハウジング２０Ｃと第３ハウジング２０Ｄとに挟持されている。この絞リング２０Ｒには、周面に沿って等配に第１中間通路３１Ｂが複数個に設けられている。第１バッファーガス通路３１からバッファーガスが第１中間通路３１Ｂを通して第２流通路３１Ａへ供給される。バッファーガスは被密封流体の圧力より０．５MPa程度に高圧にされており、このガスの温度の範囲は、常温から５０°Ｃくらいの低温にされている。尚、バッファーガスは空気叉は窒素ガスのような不活性ガスが好ましい。
【００４０】
第３ハウジング２０Ｄには、外部の図示省略した処理装置に配管を介して連通すると共に、内部の第３流通路３５Ａに連通する第１流出通路３５が設けられている。叉、第３流通路３５Ａは、第１流出通路３５から第１ベローズ形ばね手段７Ａと第１スリーブ５１との間を通り固定用密封環６Ａの背面に達している。そして、第１メカニカルシール３Ａから漏洩した被密封流体は、第３流通路３５Ａから第１流出通路３５を通り配管を介して外部の処理装置へ排出される。この被密封流体は有害ガスも含まれているので処理装置により燃焼して処理される。
【００４１】
第３ハウジング２０Ｄにはスペーサ２０Ｍを介してエンドカバー２０Ｋが接合している。そして、スペーサ２０Ｍとエンドカバー２０Ｋとの間の空間部には第１セグメントシール８Ａが第１スリーブ５１とエンドカバー２０Ｋとの間隙をシールする。この第１セグメントシール８Ａは、被密封流体が第３流通路３５Ａから外部Ｂへ流出するのを阻止する。
【００４２】
この軸封装置１は、第１ラビリンスシール９Ａと第１メカニカルシール３Ａと第１セグメントシール８Ａとにより高圧・高温の被密封流体をシールする。更には、被密封流体に含有する有害ガスもシールする。これらの各種シール９Ａ、３Ａ、８Ａは、可撓連結部２により回転軸５０とシールハウジング本体との相対位置の関係が適正に保持されているのでシール能力が発揮される。更に、スペーサ２０Ｍとエンドカバー２０Ｋとが第１スリーブ５１に近接した状態に嵌合している。このシールハウジング本体と第１スリーブ５１との相対位置がずれると、互いに当接して損傷するが、軸封装置１には可撓連結部２が設けられているので、回転軸５０とシールハウジング本体との相対位置の関係が正常に保持され、互いの当接が防止される。
【００４３】
図２は本発明に係わる第２実施の形態を示す軸封装置１の断面図である。この図２の軸封装置１は、図１の軸封装置１の第３ハウジング２０Ｄに第４ハウジング２０Ｅと第５ハウジング２０Ｆを各ボルト４５により結合すると共に、スペーサ２０Ｍとエンドカバー２０Ｋを端部に結合したものである。そして、第４ハウジング２０Ｅに第２バッファーガス通路３２と第４流通路３２Ａとを設けると共に、第５ハウジング２０Ｆに第５流通路３６Ａと第２流出通路３６を設けたものである。叉、第２バッファーガス通路３２には第２中間通路３２Ｂを設けた絞リング２０Ｒも図１と同様に挟持されている。そして、第２ラビリンスシール９Ｂは第４流通路３２Ａに第１ラビリンスシール９Ａと同様に配置されている。
【００４４】
更に、第２メカニカルシール３Ｂの部品である回転用密封環５Ｂと固定用密封環６Ｂと第２ドライブピン５３Ｄも図１の第１メカニカルシール３Ａの回転用密封環５Ａと固定用密封環６Ａと第１ドライブピン５２Ｄと同様に配置されている。更に、第２ベローズ形ばね手段７Ｂは図１の第１ベローズ形ばね手段７Ａと同様に配置され、固定用密封環６Ｂを弾発に押圧している。そして、第２メカニカルシール３Ｂの一付属部品を成している。叉、エンドカバー２０Ｋには、第３バッファーガス通路３３が設けられている。この第３バッファーガス通路３３の第１スリーブ５１側には第２セグメントシール８Ｂが第１セグメントシール８Ａと対称に配置されて被密封流体と第３バッファーガス通路３３からの窒素ガスを最終的にシールしている。第３バッファーガス通路３３から供給される窒素ガスは、第１セグメントシール８Ａと第２セグメントシール８Ｂと協働して被密封流体と窒素ガスを確実にシールする。その他の符号の部品は、図１に示す同じ符号の部品と同一であり、同一の作用効果を奏する。
【００４５】
上述のように構成された軸封装置１は、連通路１２と第１バッファーガス通路３１は、図１と同様に窒素ガスなどの圧力流体が供給される。叉、第１流出通路３５は、図１と同様にメカニカルシール３Ｂから漏洩した被密封流体及び第１バッファーガス通路３１からの窒素ガスが排出されるように成されている。そして、連通路１２と第１バッファーガス通路３１からの圧力流体の作用効果は図１について述べた通りである。叉、第２バッファーガス通路３２から第２中間通路３２Ｂを通って第４流通路３２Ａへ流れる空気叉は窒素ガスは、被密封流体の圧力より低圧であっても、第４流通路３２Ａ内で背圧の作用を成して第２ラビリンスシール９Ｂのシール効果を向上させる。叉、第２メカニカルシール３Ｂから漏洩した被密封流体及び窒素ガスは、第５流通路３６Ａを通り第２流出通路３６から配管を流れて図示省略の処理装置で処理される。
【００４６】
このように高精度のシール機能を設けた軸封装置１は、第１メカニカルシール３Ａ及び第２メカニカルシール３Ｂ、第１ラビリンスシール９Ａ及び第２ラビリンスシール９Ｂ、第１セグメントシール８Ａ及び第２セグメントシール８Ｂ等が設けられている。この軸封装置１は、回転軸５０に対してケーシング７０が変位しても、可撓連結部２が弾性変形してシールハウジング本体を保持することによりシールハウジング本体と回転軸５０の位置関係が保持されているので、各種のシール３Ａ、３Ｂ等がシール効果を発揮する。そして、可撓連結部２は、流体室４に介在する流体、叉は特殊な可撓性を有する構造、或いは超弾性合金製によりシールハウジング本体を回転軸５０に対して正常な位置に保持する働きをする。その結果、シールハウジング２０内の各メカニカルシール３Ａ、３Ｂはシール能力を発揮して高温・高圧の被密封流体をシールすると共に、有害ガスを効果的にシールする。
【００４７】
図３は、本発明に係わる第３実施の形態を示す軸封装置１の断面図である。シールハウジング本体は、筒状をした第１ハウジング２０Ｂと、同様に筒状をした第２ハウジング２０Ｃと、エンドカバー２０Ｋとが各ボルト４５を介して全体が円筒状に一体形成されている。シールハウジング本体の内部Ａ側の内周凸部には第１ラビリンスシール９Ａがボルト４４を介して取り付けられている。この第１ラビリンスシール９Ａは第２スリーブ５２の外周面に間隙を設けて嵌合し、第２スリーブ５２との間で凹凸のラビリンス片９Ａ１により被密封流体をシールする。しかし、このラビリンスシール９Ａは被密封流体の圧力を順次降下させてシールするから、被密封流体が微小量だけ漏洩する。
【００４８】
この為に、第１ラビリンスシール９Ａの外部Ｂ側には、第１メカニカルシール３Ａ（ガスシール）が設けられている。第１メカニカルシール３Ａは、回転用密封環５Ａと固定用密封環６Ａとを互いに密接させて第１ラビリンスシール９Ａから漏洩した被密封流体をシールする。回転用密封環５Ａは第２スリーブ５２に固着されていると共に、ドライブピン５２Ｄを介して回転軸５０と回動するようになされている。第２スリーブ５２は、軸方向からボルト４８を介して第１スリーブ５１に固定されている。この第１スリーブ５１は、回転軸５０に嵌着すると共に、一端部にボルト４８を介して留金具５５が設けられている。この留金具５５は、止めボルト４９により回転軸５０に固定されている。そして、回転軸５０が回動すると、留金具５５と第１スリーブ５１と第２スリーブ５２を介して回転用密封環５Ａも回動する。回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１には動圧発生溝５Ａ２が設けられている。この動圧発生溝５Ａ２は図５に示す様な形状である。
【００４９】
連結部２０Ａと第１ハウジング２０Ｂには、一体に第３ベローズ２Ｅが形成されている。叉、第３ベローズ２Ｅのベロー部は多数のリング板の内外径の端部を連続になるように接合して波形に形成したものである。この第３ベローズ２Ｅはケーシング７０と回転軸５０との軸芯ずれが±５mm位まで変位しても対応できるように構成される。この為に、べロー部の長さと、そのべロー部の山数が芯ずれに対応し、べロー部が弾性変形するように設定する。この第３ベローズ２Ｅの材質は、Ｎｉ−Ｔｉ合金であって、５０．７％Ｎｉ−残部Ｔｉである。このＮｉ−Ｔｉ合金を１０００°Ｃで２時間保持した後に急冷して超弾性合金に構成する。このＮｉ−Ｔｉ合金は約１０％の回復可能な弾性変形をすることが可能である。この他の超弾性合金としてはＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金も適している。このＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金は約２０％の回復可能な弾性変形をすることが可能である。更に、Ｃｕ−Ｚｎ合金も採用できる。これらの超弾性合金はゴム状弾性に富み、板厚を厚肉にしても耐圧に富むと共に、耐熱性にも富む。叉、第３ベローズ２Ｅの材質は、７６％Ｎｉ、１６％Ｃｒ、８％Ｆｅの合金のインコネルを採用することができる。この他の金属材としては、加工性に富み、耐食性に優れ、高温度でも酸化しない材質も採用することができる。この材質として、例えばステンレススチール、ニッケル合金材などが適している。
【００５０】
固定用密封環６Ａは、第２ハウジング２０Ｃに軸方向へ設けられた固定ピン２０Ｄ１にスライド自在に係合して、回転軸５０との回動は停止されている。叉、固定用密封環６Ａは第２ハウジング２０Ｃのガイド部２０Ｃ１に軸方向に移動自在に嵌合している。そして、固定用密封環６Ａのシール面６Ａ１が回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１と密接する。固定用密封環６Ａの背面には、第３セグメントシール８Ｃが設けられており、この第３セグメントシール８Ｃにより固定用密封環６Ａとガイド部２０Ｃ１との間がシールされる。更に、固定用密封環６Ａと第３セグメントシール８Ｃは、ばねにより対向シール面５Ａ１へ弾発に押圧されている。このばねの押圧により回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１と固定用密封環６Ａのシール面６Ａ１とを密接させて被密封流体が外部Ｂ側へ漏洩するのをシールする。
【００５１】
第２ハウジング２０Ｃには第１バッファーガス通路３１が設けられており、この第１バッファーガス通路３１を通して窒素ガス叉は空気が供給される。この供給された圧力ガスにより第１ラビリンスシール９Ａと第１メカニカルシール３Ａとの間の被密封流体圧力を保つと共にそれらのシール９Ａ、３Ａを冷却し、被密封流体が外部Ｂ側へ漏洩するのを封止すると共に、耐久能力を向上させる。叉、エンドカバー２０Ｋには、第１流出通路３５が設けられており、この第１流出通路３５は、第１メカニカルシール３Ａから漏洩した有害な被密封流体を図示省略した外部の処理装置へ導入して処分するように成されている。この第１流出通路３５に於けるエンドカバー２０Ｋと回転軸５０との間をシールするために、第１セグメントシール８Ａが設けられている。この第１セグメントシール８Ａは第１流出通路３５に於けるエンドカバー２０Ｋと回転軸５０との間隙を塞ぐように配置されている。
【００５２】
被密封流体が高温であると、ケーシング７０と回転軸５０とが熱変形する。しかし、シールハウジング本体とケーシング７０とは可撓連結部２により連結されているから、ケーシング７０と回転軸５０とが熱変形しても回転軸５０とシールハウジング本体とは変位せずに第１ラビリンスシール９Ａ及び第１メカニカルシール３Ａを正確に保持し、シール能力を発揮させる。
【００５３】
図４は本発明の第４実施の形態を示す軸封装置１の断面図である。図４に示す軸封装置１は、連結部２０Ａに設けられた可撓連結部２とシールハウジング本体とが一体にされている。この可撓連結部２は第１可撓管２Ｃと第２可撓管２Ｄが中間に流体室４を形成して嵌挿状態に形成されている。この流体室４には、側周面に設けた複数の連通路１２から被密封流体より低圧の空気叉は窒素ガスが循環するように供給される。この可撓連結部２は、超弾性合金叉は超塑性合金で製作されているから、流体室４に流体を供給しなくとも弾性変形させることができる。流体室４に窒素ガス、空気を供給するのは、可撓連結部２の強度を増すと共に、被密封流体の高温度に対し、可撓連結部２を冷却して耐久能力を向上させることができるからである。その他の構造は、図３の軸封装置１と略同一である。
【００５４】
この第１可撓管２Ｃと第２可撓管２Ｄの材質は、超弾性合金、叉は超塑性合金である。超弾性合金としてのＮｉ−Ｔｉ合金は、５０．７％Ｎｉ−残部Ｔｉである。このＮｉ−Ｔｉ合金を１０００°Ｃで２時間保持した後に急冷して超弾性合金に構成する。このＮｉ−Ｔｉ合金は約１０％の回復可能な弾性変形をすることが可能である。この他の超弾性合金としてはＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金も適している。このＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金は約２０％の回復可能な弾性変形をすることが可能である。更に、Ｃｕ−Ｚｎ合金も採用できる。これらの超弾性合金はゴム状弾性に富み、板厚を厚肉にしても耐圧に富むと共に、耐熱性にも富む。叉、超塑性合金はＡｌ−２５Ｃｕ−７Ｍｇ合金、Ａｌ−６Ｃｕ−０．５Ｚｒ合金、Ａｌ−１１Ｚｎ−１Ｍｇ−０．４Ｚｒ合金、Ｍｇ−３２Ａｌ合金等が適材である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係わる軸封装置によれば、高温・高圧の被密封流体によりケーシングと回転軸との間に熱膨張による相対的な位置の変位が生じても、シールハウジングとケーシングとが可撓連結部により連結されているので、この熱変形に応じて可撓連結部が弾性変形し、回転軸に対してシールハウジング本体がずれないように対応する。そして、回転軸とシールハウジングとの相対位置寸法が保持されるので、シールハウジングと回転軸との間に保持されるメカニカルシール及びラビリンスシール、セグメントシール等は、被密封流体の高温による変形の影響を受けることなく、シール能力を発揮する。
【００５６】
また、高温・高圧、更には有害ガスのシールに於いては、確実に被密封流体をシールするために、軸封装置はシール構造が複雑になる。しかし、シールハウジング本体に可撓連結部を設けてケーシングに連結することにより、ケーシングからの熱変形の影響を防止することが可能になる。この為に、軸封装置内に設けられたメカニカルシール等のシール能力を発揮させる効果が期待できる。特に、一対の密封環に動圧発生溝を設けたガスシールに於いては、対向するシール面に対して動圧発生溝を設けたシール面がずれるとシール能力が急速に低下するが、本発明のように可撓連結部を設けたシールハウジング本体は回転軸に対して変位が生じないから、高温・高圧の被密封流体に対してガスシールとして優れたシール効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第１実施の形態を示す軸封装置の断面図である。
【図２】本発明に係わる第２実施の形態を示す軸封装置の断面図である。
【図３】本発明に係わる第３実施の形態を示す軸封装置の断面図である。
【図４】本発明に係わる第４実施の形態を示す軸封装置の断面図である。
【図５】本発明に係わる実施の形態を示す相対シール面に設けた動圧発生溝の一部平面図である。
【図６】本発明の関連技術である軸封装置の断面図である。
【符号の説明】
１軸封装置
２可撓連結部
２Ａ第１ベローズ
２Ａ１第１内周面
２Ｂ第２ベローズ
２Ｂ１第２内周面
２Ｅ第３ベローズ
２Ｅ１内周面
３メカニカルシール
３Ａ第１メカニカルシール
３Ｂ第２メカニカルシール
４流体室
５密封環
５Ａ回転用密封環
５Ａ１対向シール面
６Ａ固定用密封環
６Ａ１シール面
７Ａ第１ベローズ形ばね手段
７Ｂ第２ベローズ形ばね手段
８Ａ第１セグメントシール
８Ｂ第２セグメントシール
８Ｃ第３セグメントシール
９Ａ第１ラビリンスシール
９Ｂ第２ラビリンスシール
１１第１流通路
１２連通路
２０シールハウジング
２０Ａ連結部
２０Ｂ第１ハウジング
２０Ｃ第２ハウジング
２０Ｄ第３ハウジング
２０Ｅ第４ハウジング
２０Ｆ第５ハウジング
２０Ｋエンドカバー
２０Ｍスペーサ
２０Ｒ絞リング
２５結合部
３１第１バッファーガス通路
３１Ａ第２流通路
３１Ｂ第１中間通路
３２第２バッファーガス通路
３２Ａ第４流通路
３２Ｂ第２中間通路
３３第３バッファーガス通路
３５第１流出通路
３５Ａ第３流通路
３６第２流出通路
３６Ａ第５流通路
５０回転軸
５１第１スリーブ
５２第２スリーブ
５２Ａ接合面
５２Ｄ第１ドライブピン
５３Ｄ第２ドライブピン
５５留金具
６０取付部
７０ケーシング
Ａ内部
Ｂ外部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shaft seal device for sealing a high-temperature and high-pressure sealed fluid. More specifically, for example, the present invention relates to a shaft seal device that seals a high-temperature and high-pressure sealed fluid in a seal of an industrial fuel cell, a gas turbine, a turbomachine, or the like.
[0002]
[Prior art]
A related art related to the present invention includes a shaft seal device that seals a high-temperature and high-pressure sealed fluid. This shaft seal device has a structure in which a large number of labyrinth seals and carbon seal rings are arranged in parallel in the axial direction around a rotation shaft (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-108201 (pages 2 to 3 and FIG. 1)
[0004]
The shaft seal device 100 represented by this patent document 1 is comprised as shown in sectional drawing of FIG. In FIG. 6, a seal housing 105 with a flange 105 C is fitted in the hole of the casing 120. A rotation shaft 150 integral with the impeller 155 is fitted into the hole of the seal housing 105.
[0005]
Around the rotating shaft 150, two first labyrinth seals 110 and second labyrinth seals 113 fitted to the seal housing 105 are arranged in parallel. Irregular-shaped labyrinth pieces 110 A and 113 A that are close to the outer peripheral surface of the rotating shaft 150 are formed on the inner periphery of the first labyrinth seal 110 and the second labyrinth seal 113. In addition, fluid discharge holes 102B and 120B communicating with the outside are provided between the first labyrinth seal 110 and the second labyrinth seal 113. Further, two annular grooves 113A and 113B are provided in parallel on the inner peripheral portion on one side in the axial direction of the second labyrinth seal 113, and the carbon seal rings 111 and 111 rotate in the annular grooves 113A and 113B. The shaft 150 is arranged so as to be movable in the radial direction. In addition, a third labyrinth seal 105D provided with a labyrinth piece is formed on the flange 105C of the seal housing 105. This labyrinth seal 105D is close to the impeller 155 and seals the sealed fluid. Then, the sealed fluid leaked from the first labyrinth seal 110 and the third labyrinth seal 105D flows out from the fluid discharge holes 102B and 120B.
[0006]
In addition, a seal unit 115 is fitted to the seal housing 105 around the rotation shaft 150 in parallel with the second labyrinth seal 113. Three annular grooves 115 A are formed in the inner peripheral portion of the seal unit 115. Carbon seal rings 112, 112, 112 are also inserted into the annular grooves 115A so as to be movable in the radial direction. In addition, purge gas introduction holes 102 A and 120 A communicating with the outside are provided between the second labyrinth seal 113 and the seal unit 115.
Gas is supplied from the introduction holes 102A and 120A to seal the sealed fluid from flowing out from the periphery of the shaft.
[0007]
When the casing 120 and the rotary shaft 150 are thermally deformed by a high-temperature sealed fluid and a part of the shaft seal device 100 is configured to approach each other, the labyrinths of the first labyrinth seal 110 and the second labyrinth seal 113 are configured. The pieces 110A and 113A come into contact with the outer peripheral surface of the rotating shaft and are damaged. Further, in order to prevent the labyrinth pieces 110A and 113A from coming into contact with the rotating shaft 150, if the distance between the labyrinth pieces 110A and 113A and the rotating shaft 150 is increased, the sealing ability is deteriorated, and the sealed fluid becomes a fluid discharge hole. It leaks to 102B, 120B and the outside. Further, since the carbon seal rings 112 and 115 are inserted into the annular grooves 113A, 113B, and 115A so as to be freely inserted and retracted, the pressure resistance capacity cannot be improved. When acting on 112 and 115, the sealing ability decreases. In addition, since the carbon seal rings 112 and 115 are configured to be able to protrude and retract in the radial direction, high-pressure gas can be introduced from the introduction holes 102A and 120A to improve the sealing performance of the carbon seal rings 112 and 115. It becomes difficult as a matter of fact.
[0008]
Next, there is a related technology in which a mechanical seal is provided between a seal housing and a rotating shaft as a shaft seal device for a sealed fluid of high temperature and high pressure (for example, see Patent Document 2).
[0009]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-351407.
[0010]
In this shaft seal device, two first mechanical seals and a second mechanical seal are arranged in parallel in the axial direction so as to partition the gap between the rotary shaft and the seal housing. An intermediate chamber exists between the first mechanical seal and the second mechanical seal. A buffer inflow passage communicating with the intermediate chamber communicates with the outside. A buffer gas whose pressure is higher than the pressure of the fluid to be sealed is supplied to the intermediate chamber, and the buffer gas cooperates with each mechanical seal to improve the sealing ability of each mechanical seal. And it prevents that the fluid to be sealed leaks to the atmosphere side.
[0011]
Also in the shaft seal device with this configuration, when the seal housing and the rotating shaft are thermally deformed due to the high temperature of the sealed fluid, the fixing seal ring and the rotating seal ring of the mechanical seal are Since the opposing sealing surfaces are displaced in the radial direction or separated in the inclined direction, the sealing ability is reduced. A non-contact type gas seal having a dynamic pressure generating groove on the seal surface of the sealing ring is inclined in the direction of displacement or in the opposite direction when the seal housing or the rotating shaft is subjected to thermal deformation. The generated force is reduced and the seal surface slides and wears.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and the problem to be solved by the present invention is that the sealed fluid can be reliably secured by the shaft seal device even when the sealed fluid is at a high temperature and high pressure. It is to be able to seal. Another object is to prevent the sliding surface of the sealing ring in the shaft seal device from being damaged and maintain the sealing ability for a long time. Furthermore, even if the fluid to be sealed is a harmful gas, it is possible to ensure sealing. In addition, it is to effectively prevent the shaft seal device from being broken and to reduce the manufacturing cost of the shaft seal device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the technical problems as described above, and the technical solution means is configured as follows.
[0014]
The shaft seal device of the present invention according to claim 1 is disposed between a seal housing having a through hole therein and a rotary shaft fitted in the through hole of the seal housing, and has a seal surface and is held by the seal housing. A seal ring for fixing, a mechanical seal having a rotating seal and a rotating seal ring that rotates with a rotating shaft having an opposing seal surface in close contact with the seal surface of the fixing seal ring, and a through hole and a casing of the seal housing And an annular flexible connecting portion that is deformed in accordance with the displacement of the rotary shaft or the casing.
[0015]
In the shaft seal device according to the first aspect of the present invention, the casing is thermally deformed by the high temperature sealed fluid, or the rotating shaft is thermally deformed. The deviation of the shaft center between the casing and the rotating shaft reaches ± 2 mm or more. In such a state, conventionally, when a relative dimensional displacement due to heat occurs between the casing and the rotating shaft, the labyrinth seal and the rotating shaft come into contact with each other, and further, the rotating seal ring of the mechanical seal is fixed. The sliding relative surface with the sealing ring for use will shift. As in the present invention, since the seal housing and the casing are connected by the flexible connecting portion, the flexible connecting portion is elastically deformed in response to the thermal deformation so that the seal housing does not shift with respect to the rotating shaft. Respond. And since the relative position dimension of a rotating shaft and a seal housing is hold | maintained, the mechanical seal, labyrinth seal, etc. which are hold | maintained between a seal housing and a rotating shaft receive the influence of the deformation | transformation by the high temperature of the fluid to be sealed. Not to show the sealing ability. In addition, since the relative position of the rotating shaft and the seal housing is maintained, buffer gas can be supplied between the mechanical seals to increase the sealing performance, and the mechanical seal can be cooled with the buffer gas to improve durability. It becomes possible.
[0016]
A shaft seal device according to a second aspect of the present invention is disposed between a seal housing having a through hole therein and a rotary shaft fitted in the through hole of the seal housing, and has a seal surface and is held by the seal housing. A mechanical seal having a sealing ring for fixing and an opposing sealing surface in close contact with the sealing surface of the sealing ring for fixing, the rotating shaft and a rotating sealing ring for rotation, and the through hole of the seal housing And a cylindrical first bellows for connecting a sealed fluid so that a fluid to be sealed can communicate with each other, and at least one bellows fitted on the first bellows, and between the fitting positions of the bellows And a fluid supply communication passage communicating with the fluid chamber.
[0017]
In the shaft seal device of the present invention according to claim 2, bellows having different diameters are fitted and a fluid chamber is formed between the plurality of bellows. Since the fluid pressure is supplied to the fluid chamber, the load of the plurality of bellows fitted is reduced through the pressure fluid. Because of this, the number of bellows can be increased. In addition, since the plate thickness of the bellows can be made thin, flexibility is improved. Moreover, the bellows is cooled by the supplied fluid, and the durability is improved. Furthermore, since the positional relationship of the sealing surface in the mechanical seal in the seal housing connected to the flexible connecting portion is maintained, the sealing ability of the sealing surface is exhibited. In addition, by improving the flexibility of the bellows, cracks and damage due to the operation of the bellows are effectively prevented.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, the shaft seal device of the present invention is configured such that the flexible connecting portion is formed in a cylindrical body or bellows and the cylindrical body or bellows is elastically deformed.
[0019]
In the shaft seal device according to the third aspect of the present invention, it is possible to provide a flexible connecting portion with flexibility by fitting a cylindrical body having a reduced plate thickness. In addition, it can be formed in a bellows shape so that the flexible connecting portion has flexibility. As a result, even if thermal deformation occurs in the casing, the flexible housing can hold the seal housing in a dimensional relationship that does not displace relative to the rotating shaft without being affected by the displacement of the casing. Therefore, since the dimensional relationship between the opposing seal surfaces of the mechanical seal is normally maintained, the sealing ability of the seal surfaces is exhibited. For this reason, the structure of the flexible connecting portion is simplified, and processing and manufacture are facilitated.
[0020]
In the shaft seal device of the present invention according to claim 4, the flexible connecting portion is formed of a superelastic alloy or a superplastic alloy material.
[0021]
In the shaft seal device according to the fourth aspect of the present invention, since the flexible connecting portion is formed of a superelastic alloy or a superplastic alloy material, it can be deformed like rubber-like elasticity. For this reason, since the flexible connecting portion is elastically deformed without having a complicated shape like a bellows, the connecting structure can be facilitated. For this reason, the manufacturing cost of a flexible connection part can be reduced. Further, since the flexible connecting portion is elastically deformed like rubber, even if local stress acts on the flexible connecting portion, it is possible to prevent the occurrence of abnormal distortion. For this reason, damage to the flexible connecting portion can be prevented, and the durability is improved.
[0022]
The shaft seal device of the present invention according to claim 5 is provided with a seal portion between the mechanical seal and the sealed fluid side, and has a buffer gas supply passage communicating with the fluid passage between the seal portion and the mechanical seal. Is.
[0023]
In the shaft seal device of the present invention according to claim 5, the gas supplied from the buffer gas supply passage communicating with the fluid passage between the seal portion and the mechanical seal is sealed in cooperation with the mechanical seal. Improve fluid sealing ability. Furthermore, the mechanical seal and the rotating shaft can be cooled with buffer gas to prevent abnormal heat generation and wear on the sealing surface of the sealing ring, and the sealing performance can be improved. These effects can be achieved by normally maintaining the dimensions of the seal housing and the rotating shaft against thermal deformation of the casing by the flexible connecting portion.
[0024]
The shaft seal device of the present invention according to claim 6 supplies a fluid having a pressure lower than that of the sealed fluid to the fluid chamber from the communication passage communicating with the fluid chamber.
[0025]
In the shaft seal device of the present invention according to claim 6, by supplying a fluid having a pressure lower than that of the fluid to be sealed to the fluid chamber, a flexible connection is made by utilizing the difference between the pressure of the fluid to be sealed and the pressure of the fluid chamber. The flexibility of the part can be improved. In addition, it is possible to improve the durability of the flexible connecting portion by cooling the flexible connecting portion with the fluid supplied to the fluid chamber. In addition, it can be expected that fluid is supplied from the communication path to the fluid chamber and the rotating shaft and the mechanical seal are cooled to prevent thermal deformation. Then, the flexible connecting portion makes it possible to accurately maintain the dimensional relationship between the seal housing and the rotating shaft regardless of the thermal deformation of the casing.
[0026]
The shaft seal device of the present invention according to claim 7 is such that a dynamic pressure generating groove is formed in the seal ring of the mechanical seal.
[0027]
In the shaft seal device according to the seventh aspect of the present invention, since the flexible connecting portion is elastically deformed to hold the seal housing in a normal position corresponding to the rotation shaft, the mechanical seal is not affected even if the casing is thermally deformed. It is possible to rotate the opposing seal surface of the sealing ring for rotation of the seal and the sealing surface of the sealing ring for fixation so that the sealing ability is exhibited. For this reason, the dynamic pressure generating groove can maintain the accurate gap and position with respect to the seal surface and exhibit the sealing ability. As a result, the dynamic pressure generating groove provided in the sealing ring of the mechanical seal seals the high-temperature and high-pressure sealed fluid, which was impossible before, and effectively prevents wear and damage to the seal surface due to high temperature and high pressure. It becomes possible to prevent.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a shaft seal device according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each drawing described below is based on an accurate design drawing.
[0029]
FIG. 1 is a sectional view of a shaft seal device 1 showing a preferred embodiment according to the present invention. The shaft seal device 1 seals a high-pressure and high-temperature sealed fluid used in a blower for a fuel cell. In FIG. 1, a rotating shaft 50 is rotatably supported by a bearing portion (not shown) provided in a casing 70 of the blower. Since the rotating shaft 50 is rotated by the power of the outside B, the rotating shaft 50 protrudes to the outside of the casing 70 and is connected to a motor or the like. For this purpose, the shaft sealing device 1 seals between the inside A and the outside B between the casing 70 and the rotating shaft 50. The sealed fluid in this blower is at a high temperature reaching 640 ° C. and a high pressure state of 1 to 2 MPa. Moreover, harmful or explosive gases (H ₂ , CO, CH ₄ ) May be used.
[0030]
A flange of the mounting portion 60 is joined to the casing 70 through which the rotary shaft 50 passes through a metal C-shaped seal ring 65 with a bolt 47. The C-shaped seal ring 65 has a C-shaped cross section, and a part thereof is open so as to receive the pressure of a high-temperature sealed fluid on the inner periphery for sealing. Further, the connecting portion 20A of the seal housing 20 is attached to the attaching portion 60 with a bolt 46 via a C-shaped seal ring 20A1. The seal housing 20 is entirely formed in a cylindrical body. The seal housing 20 has a configuration in which the flexible connecting portion 2 provided in the connecting portion 20A and the seal housing main body are coupled. The seal housing main body includes a first housing 20B, a second housing 20C, a third housing 20D, a spacer 20M, and an end cover 20K. The first housing 20B, the second housing 20C, the third housing 20D, the spacer 20M, and the end cover 20K are coupled to each other via bolts 45 and assembled to the seal housing body.
[0031]
The flexible connecting portion 2 is formed with a second bellows 2B integrated with the connecting portion 20A. The bellows portion of the second bellows 2B is formed in a corrugated cross section. The second bellows 2B is configured so as to be able to cope with the displacement of the axial center between the casing 70 and the rotary shaft 50 up to about ± 4 mm. For this purpose, the length of the bellows and the number of peaks of the bellows are designed to be elastically deformed corresponding to the misalignment. The material of the second bellows 2B is 76% Ni, 16% Cr, 8% Fe alloy inconel. Other materials such as this Inconel material can be used as long as they are rich in workability, excellent in corrosion resistance, and do not oxidize even at high temperatures. Examples of this material include stainless steel and nickel alloy material.
[0032]
Next, a first bellows 2A having a smaller diameter than the second bellows 2B is provided at one end of the first housing 20B. The inner peripheral surface 2 A 1 of the first bellows 2 A is designed to have a size so as not to contact the rotary shaft 50 by providing a gap between the first bellows 2 A. The material of the first bellows 2A is also made of the same Inconel material as the second bellows 2B. Furthermore, the first bellows 2A is made of a metal that is rich in workability, excellent in corrosion resistance, and that does not oxidize even at high temperatures, such as stainless steel and nickel alloy materials. The first bellows 2A is inserted into the inner peripheral surface 2B1 of the second bellows 2B, and a free end coupling portion 25A is welded to the connecting portion 20A. In addition, the coupling portion 25B at the free end of the second bellows 2B is welded to the first housing 20B. A space between the outer peripheral surface of the first bellows 2A and the inner peripheral surface 2B1 of the second bellows 2B is formed in the fluid chamber 4.
[0033]
The more the number of bellows of each bellows 2A, 2B, the more flexible the deformation, but the more the number of peaks, the higher the pressure to be sealed. In addition, if the plate thickness of the bellows portion is made thin, it is rich in flexibility, but if it is thin, it cannot withstand the pressure of the sealed fluid. For such a problem, by providing the fluid chamber 4 between the first bellows 2A and the second bellows 2B, the first bellows 2A and the second bellows 2B are aeroelastically supported by the pressure fluid interposed in the fluid chamber. Therefore, the pressure resistance capability and the deflection capability of the flexible connecting portion 2 are dramatically improved. Regarding heat resistance, by circulating a fluid having a temperature lower than the temperature of the sealed fluid to the fluid chamber 4, the heat resistance of the flexible connecting portion 2 is increased and the durability is improved. In this embodiment, the first bellows 2A and the second bellows 2B are provided. However, the third, fourth and fifth bellows may be inserted and formed into a multilayer structure while forming a fluid chamber therebetween. it can. As described above, the multi-layered annular structure having the fluid chambers at each interval improves the heat resistance against the sealed fluid and the pressure resistance.
[0034]
The fluid chamber 4 communicates with a fluid supply communication passage 12 provided in the first housing 20B. A plurality of the communication passages 12 are provided at equal intervals on the peripheral surface of the first housing 20B so that fluid can be supplied and discharged. Nitrogen gas, air, and other gases having a set pressure are supplied from the communication passage 12. This set pressure is designed by the pressure of the sealed fluid. When the pressure of the sealed fluid is 1.1 MPa and the temperature is 640 °, the set pressure of the gas supplied from the communication path 12 is preferably about 0.7 MPa. In addition, the temperature of the fluid chamber 4 is preferably lower than the temperature of the sealed fluid. For example, if the temperature of the fluid chamber 4 is 5 ° C. or lower than the temperature of the sealed fluid, a cooling effect is produced.
[0035]
On the inner peripheral surface of the second housing 20C, a first labyrinth seal 9A having an uneven labyrinth piece 9A1 on the inner periphery is fitted and screwed with a bolt. The labyrinth piece 9A1 is fitted to the outer peripheral surface of the second sleeve 52 with a small gap, and the sealed fluid is sealed by reducing the pressure of the sealed fluid stepwise between the labyrinth piece 9A1 and the second sleeve 52. The high-temperature and high-pressure sealed fluid flows to the first labyrinth seal 9A through the first flow passage 11, and is sealed by the pressure drop of the sealed fluid by the labyrinth piece 9A1. The labyrinth seal 9A may be provided in the vicinity of the connecting portion 20A to cool the flexible connecting portion 2 with a buffer gas.
[0036]
In addition, a first mechanical seal 3A is provided on the outer B side of the first labyrinth seal 9A in the first flow passage 11 serving as a sealed fluid passage. The first mechanical seal 3A includes a rotary seal ring 5A, a fixed seal ring 6A, and its accessory parts. The first mechanical seal 3A seals the fluid to be sealed leaked from the first labyrinth seal 9A by bringing the sealing ring 5A for rotation and the sealing ring 6A for fixation into close contact with each other. The rotary seal ring 5 A is engaged with the joint surface 52 A of the second sleeve 52, and the axial direction is fixed between the first sleeve 51 and the second sleeve 52. And it rotates with the rotating shaft 50 via the drive pin 52D provided in the 2nd sleeve 52. As shown in FIG. The second sleeve 52 is fixed by screwing the bolt 48 into the first sleeve 51 from the axial direction. The first sleeve 51 is fitted to the rotary shaft 50, and a fastener 55 is coupled to one end portion via a bolt 48. Since the clasp 55 is fixed to the rotating shaft 50 by the set bolt 49, the first sleeve 51 is fixed to the rotating shaft 50 through the clasp 55.
[0037]
When the rotary shaft 50 rotates, the rotary seal ring 5A rotates via the first sleeve 51 coupled to the fastener 55 integrated with the rotary shaft 50 and the second sleeve 52 fixed to the first sleeve 51. Moved. A dynamic pressure generating groove 5A2 shown in FIG. 5 is provided on the opposing seal surface 5A1 of the rotating seal ring 5A. The dynamic pressure generating groove 5A2 is formed with a groove for both rotations as shown in FIG. 5 on the opposing seal surface 5A1. As the dynamic pressure generating groove 5A2, various non-contact type one-rotation or double-rotation grooves employed for gas sealing among mechanical seals can be used. As an example, dynamic pressure generating grooves formed in arcuate grooves formed in a large number along the seal surface can be used.
[0038]
The fixing sealing ring 6A is engaged and held so as to be slidable in the axial direction by an axial fixing pin 20D1 provided in the second housing 20C. Forcibly, the fixing sealing ring 6A is elastically pressed by the first bellows-type spring means 7A supported by the third housing 20D. Then, the seal surface 6A1 of the fixing seal ring 6A is in close contact with the opposing seal surface 5A1 of the rotation seal ring 5A.
[0039]
In the second housing 20C, the first buffer gas passage 31 is formed from the outside so as to communicate with the second flow passage 31A on the outer peripheral side of the fixing seal ring 6A. The second flow passage 31A is blocked from the first flow passage 11 through a labyrinth seal 9A. Between the buffer gas passage 31 and the second flow passage 31A on the outer periphery of the fixing seal ring 6A, both ends of the throttle ring 20R are sandwiched between the second housing 20C and the third housing 20D. The aperture ring 20R is provided with a plurality of first intermediate passages 31B equally distributed along the circumferential surface. Buffer gas is supplied from the first buffer gas passage 31 to the second flow passage 31A through the first intermediate passage 31B. The buffer gas is set to about 0.5 MPa higher than the pressure of the fluid to be sealed, and the temperature range of the gas is set to a low temperature of about 50 ° C. from room temperature. The buffer gas is preferably air or an inert gas such as nitrogen gas.
[0040]
The third housing 20D is provided with a first outflow passage 35 that communicates with an external processing device (not shown) through a pipe and communicates with the internal third flow passage 35A. The third flow passage 35A passes from the first outflow passage 35 between the first bellows spring means 7A and the first sleeve 51 to the back surface of the fixing seal ring 6A. Then, the sealed fluid leaked from the first mechanical seal 3A is discharged from the third flow passage 35A through the first outflow passage 35 to the external processing apparatus via the piping. Since this sealed fluid contains harmful gas, it is burned and processed by the processing device.
[0041]
An end cover 20K is joined to the third housing 20D via a spacer 20M. The first segment seal 8A seals the gap between the first sleeve 51 and the end cover 20K in the space between the spacer 20M and the end cover 20K. The first segment seal 8A prevents the sealed fluid from flowing out from the third flow passage 35A to the outside B.
[0042]
The shaft seal device 1 seals a high-pressure and high-temperature sealed fluid by the first labyrinth seal 9A, the first mechanical seal 3A, and the first segment seal 8A. Furthermore, the harmful gas contained in the sealed fluid is also sealed. These various seals 9A, 3A, and 8A exhibit sealing ability because the relative position relationship between the rotary shaft 50 and the seal housing body is appropriately held by the flexible connecting portion 2. Further, the spacer 20 M and the end cover 20 K are fitted in a state close to the first sleeve 51. If the relative position of the seal housing main body and the first sleeve 51 shifts, they are brought into contact with each other and damaged. However, since the shaft seal device 1 is provided with the flexible connecting portion 2, the rotary shaft 50 and the seal housing main body are provided. The relative positional relationship is normally maintained, and contact with each other is prevented.
[0043]
FIG. 2 is a sectional view of the shaft seal device 1 showing a second embodiment according to the present invention. The shaft seal device 1 of FIG. 2 is configured such that the fourth housing 20E and the fifth housing 20F are coupled to the third housing 20D of the shaft seal device 1 of FIG. 1 by respective bolts 45, and the spacer 20M and the end cover 20K are end portions. It is combined with. The fourth housing 20E is provided with the second buffer gas passage 32 and the fourth flow passage 32A, and the fifth housing 20F is provided with the fifth flow passage 36A and the second outflow passage 36. In addition, the throttle ring 20R provided with the second intermediate passage 32B is also sandwiched in the second buffer gas passage 32 as in FIG. The second labyrinth seal 9B is disposed in the fourth flow passage 32A in the same manner as the first labyrinth seal 9A.
[0044]
Furthermore, the rotation sealing ring 5B, the fixing sealing ring 6B, and the second drive pin 53D, which are parts of the second mechanical seal 3B, are also the rotation sealing ring 5A and the fixing sealing ring 6A of the first mechanical seal 3A in FIG. The first drive pins 52D are arranged in the same manner. Further, the second bellows-type spring means 7B is arranged in the same manner as the first bellows-type spring means 7A in FIG. 1, and presses the fixing seal ring 6B resiliently. And it comprises one attachment part of the 2nd mechanical seal 3B. In addition, a third buffer gas passage 33 is provided in the end cover 20K. A second segment seal 8B is disposed symmetrically with the first segment seal 8A on the first sleeve 51 side of the third buffer gas passage 33 so that the sealed fluid and the nitrogen gas from the third buffer gas passage 33 are finally supplied. It is sealed. The nitrogen gas supplied from the third buffer gas passage 33 reliably seals the sealed fluid and the nitrogen gas in cooperation with the first segment seal 8A and the second segment seal 8B. The components with other reference numerals are the same as the parts with the same reference symbols shown in FIG.
[0045]
In the shaft seal device 1 configured as described above, a pressure fluid such as nitrogen gas is supplied to the communication passage 12 and the first buffer gas passage 31 in the same manner as in FIG. In addition, the first outflow passage 35 is configured such that the sealed fluid leaked from the mechanical seal 3B and the nitrogen gas from the first buffer gas passage 31 are discharged as in FIG. The operation effect of the pressure fluid from the communication passage 12 and the first buffer gas passage 31 is as described with reference to FIG. Even if air or nitrogen gas flowing from the second buffer gas passage 32 to the fourth flow passage 32A through the second intermediate passage 32B is lower than the pressure of the sealed fluid, the air or nitrogen gas flows in the fourth flow passage 32A. The back pressure is applied to improve the sealing effect of the second labyrinth seal 9B. In addition, the sealed fluid and nitrogen gas leaked from the second mechanical seal 3B flow through the fifth flow passage 36A, flow through the piping from the second outflow passage 36, and are processed by a processing device (not shown).
[0046]
As described above, the shaft seal device 1 having a highly accurate sealing function includes the first mechanical seal 3A and the second mechanical seal 3B, the first labyrinth seal 9A and the second labyrinth seal 9B, the first segment seal 8A and the second segment. A seal 8B and the like are provided. In the shaft seal device 1, even when the casing 70 is displaced with respect to the rotation shaft 50, the positional relationship between the seal housing body and the rotation shaft 50 is maintained by the flexible connecting portion 2 being elastically deformed to hold the seal housing body. Since it is held, various seals 3A, 3B, etc. exhibit a sealing effect. The flexible connecting portion 2 holds the seal housing main body in a normal position with respect to the rotary shaft 50 by a fluid interposed in the fluid chamber 4 or a special flexible structure, or a superelastic alloy. Work. As a result, each of the mechanical seals 3A and 3B in the seal housing 20 exhibits a sealing ability to seal a high-temperature / high-pressure sealed fluid and effectively seal harmful gases.
[0047]
FIG. 3 is a cross-sectional view of a shaft seal device 1 showing a third embodiment according to the present invention. The seal housing body has a cylindrical first housing 20B, a similarly cylindrical second housing 20C, and an end cover 20K integrally formed in a cylindrical shape via bolts 45. A first labyrinth seal 9 A is attached via a bolt 44 to the inner peripheral convex portion on the inner side A of the seal housing body. The first labyrinth seal 9A is fitted with a gap on the outer peripheral surface of the second sleeve 52, and the sealed fluid is sealed between the second labyrinth piece 9A1 and the second sleeve 52. However, since the labyrinth seal 9A is sealed by sequentially reducing the pressure of the sealed fluid, the sealed fluid leaks by a minute amount.
[0048]
For this purpose, a first mechanical seal 3A (gas seal) is provided on the outside B side of the first labyrinth seal 9A. The first mechanical seal 3A seals the fluid to be sealed leaked from the first labyrinth seal 9A by bringing the rotating seal ring 5A and the fixing seal ring 6A into close contact with each other. The rotary seal ring 5A is fixed to the second sleeve 52 and is rotated with the rotary shaft 50 via a drive pin 52D. The second sleeve 52 is fixed to the first sleeve 51 via the bolt 48 from the axial direction. The first sleeve 51 is fitted to the rotary shaft 50 and is provided with a fastener 55 via a bolt 48 at one end. The clasp 55 is fixed to the rotary shaft 50 by a set bolt 49. When the rotating shaft 50 is rotated, the rotation sealing ring 5 A is also rotated through the clasp 55, the first sleeve 51, and the second sleeve 52. A dynamic pressure generating groove 5A2 is provided on the opposing seal surface 5A1 of the rotation seal ring 5A. The dynamic pressure generating groove 5A2 has a shape as shown in FIG.
[0049]
A third bellows 2E is integrally formed with the connecting portion 20A and the first housing 20B. The bellows portion of the third bellows 2E is formed by corrugating the end portions of the inner and outer diameters of a large number of ring plates so as to be continuous. The third bellows 2E is configured to be able to cope with the displacement of the axial center between the casing 70 and the rotary shaft 50 up to about ± 5 mm. For this purpose, the length of the bellows and the number of peaks of the bellows are set so as to correspond to the misalignment and the bellows is elastically deformed. The material of the third bellows 2E is a Ni—Ti alloy and is 50.7% Ni—the balance Ti. The Ni—Ti alloy is held at 1000 ° C. for 2 hours and then rapidly cooled to form a superelastic alloy. This Ni-Ti alloy is capable of about 10% recoverable elastic deformation. As other superelastic alloys, Cu-Al-Ni alloys are also suitable. This Cu—Al—Ni alloy can undergo about 20% recoverable elastic deformation. Furthermore, a Cu—Zn alloy can also be employed. These superelastic alloys are rich in rubber-like elasticity, and have a high pressure resistance and a high heat resistance even when the plate thickness is increased. For the material of the third bellows 2E, inconel of an alloy of 76% Ni, 16% Cr, and 8% Fe can be adopted. As the other metal material, a material which is rich in workability, excellent in corrosion resistance, and does not oxidize even at a high temperature can be employed. As this material, for example, stainless steel or nickel alloy material is suitable.
[0050]
The fixing seal ring 6A is slidably engaged with a fixing pin 20D1 provided in the axial direction on the second housing 20C, and the rotation with the rotary shaft 50 is stopped. The fixing seal ring 6A is fitted to the guide portion 20C1 of the second housing 20C so as to be movable in the axial direction. Then, the seal surface 6A1 of the fixing seal ring 6A is in close contact with the opposing seal surface 5A1 of the rotation seal ring 5A. A third segment seal 8C is provided on the back surface of the fixing seal ring 6A, and the gap between the fixing seal ring 6A and the guide portion 20C1 is sealed by the third segment seal 8C. Further, the fixing seal ring 6A and the third segment seal 8C are resiliently pressed against the opposing seal surface 5A1 by a spring. By pressing the spring, the opposing seal surface 5A1 of the rotary seal ring 5A and the seal surface 6A1 of the fixing seal ring 6A are brought into close contact with each other, so that the fluid to be sealed leaks to the outside B side.
[0051]
A first buffer gas passage 31 is provided in the second housing 20 C, and nitrogen gas or air is supplied through the first buffer gas passage 31. The pressure gas supplied maintains the sealed fluid pressure between the first labyrinth seal 9A and the first mechanical seal 3A, cools the seals 9A and 3A, and the sealed fluid leaks to the outside B side. As well as improving the durability. The end cover 20K is provided with a first outflow passage 35. The first outflow passage 35 introduces a harmful sealed fluid leaked from the first mechanical seal 3A to an external processing apparatus (not shown). And then disposed of. In order to seal between the end cover 20K and the rotating shaft 50 in the first outflow passage 35, a first segment seal 8A is provided. The first segment seal 8 A is disposed so as to close the gap between the end cover 20 K and the rotary shaft 50 in the first outflow passage 35.
[0052]
When the sealed fluid is hot, the casing 70 and the rotary shaft 50 are thermally deformed. However, since the seal housing main body and the casing 70 are connected by the flexible connecting portion 2, even if the casing 70 and the rotary shaft 50 are thermally deformed, the rotary shaft 50 and the seal housing main body are not displaced and are not displaced. The labyrinth seal 9 A and the first mechanical seal 3 A are accurately held and the sealing ability is exhibited.
[0053]
FIG. 4 is a cross-sectional view of the shaft seal device 1 showing a fourth embodiment of the present invention. In the shaft seal device 1 shown in FIG. 4, the flexible connecting portion 2 provided in the connecting portion 20A and the seal housing main body are integrated. The flexible connecting portion 2 is formed in a fitting state with the first flexible tube 2C and the second flexible tube 2D forming a fluid chamber 4 in the middle. The fluid chamber 4 is supplied with air or nitrogen gas having a pressure lower than that of the sealed fluid from a plurality of communication passages 12 provided on the side peripheral surface. Since the flexible connecting portion 2 is made of a superelastic alloy or a superplastic alloy, it can be elastically deformed without supplying fluid to the fluid chamber 4. Supplying nitrogen gas and air to the fluid chamber 4 increases the strength of the flexible connecting portion 2 and improves the durability by cooling the flexible connecting portion 2 against the high temperature of the sealed fluid. Because it can. Other structures are substantially the same as those of the shaft seal device 1 of FIG.
[0054]
The material of the first flexible tube 2C and the second flexible tube 2D is a superelastic alloy or a superplastic alloy. The Ni—Ti alloy as the superelastic alloy is 50.7% Ni—balance Ti. The Ni—Ti alloy is held at 1000 ° C. for 2 hours and then rapidly cooled to form a superelastic alloy. This Ni-Ti alloy is capable of about 10% recoverable elastic deformation. As other superelastic alloys, Cu-Al-Ni alloys are also suitable. This Cu—Al—Ni alloy can undergo about 20% recoverable elastic deformation. Furthermore, a Cu—Zn alloy can also be employed. These superelastic alloys are rich in rubber-like elasticity, and have a high pressure resistance and a high heat resistance even when the plate thickness is increased. For the superplastic alloy, Al-25Cu-7Mg alloy, Al-6Cu-0.5Zr alloy, Al-11Zn-1Mg-0.4Zr alloy, Mg-32Al alloy, etc. are suitable materials.
[0055]
【The invention's effect】
According to the shaft seal device of the present invention, the seal housing and the casing are flexibly connected even if a relative position displacement due to thermal expansion occurs between the casing and the rotating shaft due to the high-temperature and high-pressure sealed fluid. Therefore, the flexible connecting portion is elastically deformed in response to the thermal deformation, and the seal housing body is not displaced from the rotation shaft. Since the relative position dimension between the rotary shaft and the seal housing is maintained, the mechanical seal, labyrinth seal, segment seal, etc. held between the seal housing and the rotary shaft are affected by the deformation of the sealed fluid due to the high temperature. Demonstrates sealing ability without being affected.
[0056]
Further, in the sealing of high temperature, high pressure and harmful gas, the sealing structure of the shaft seal device is complicated in order to reliably seal the sealed fluid. However, it is possible to prevent the influence of thermal deformation from the casing by providing the seal housing body with a flexible connecting portion and connecting it to the casing. For this reason, the effect of exhibiting sealing ability such as a mechanical seal provided in the shaft seal device can be expected. In particular, in a gas seal in which a dynamic pressure generating groove is provided in a pair of sealing rings, if the seal surface provided with the dynamic pressure generating groove is displaced with respect to the opposing seal surface, the sealing ability is rapidly reduced. Since the seal housing body provided with the flexible connecting portion as in the present invention is not displaced with respect to the rotating shaft, it has an excellent sealing effect as a gas seal against a high temperature and high pressure sealed fluid.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a shaft seal device showing a first embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a shaft seal device showing a second embodiment according to the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a shaft seal device showing a third embodiment according to the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a shaft seal device showing a fourth embodiment according to the present invention.
FIG. 5 is a partial plan view of a dynamic pressure generating groove provided on a relative seal surface showing an embodiment according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a shaft seal device that is a related technique of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Shaft seal device
2 Flexible connection part
2A 1st bellows
2A1 first inner peripheral surface
2B 2nd bellows
2B1 Second inner peripheral surface
2E 3rd bellows
2E1 inner circumference
3 Mechanical seal
3A 1st mechanical seal
3B Second mechanical seal
4 Fluid chamber
5 Sealing ring
5A Sealing ring for rotation
5A1 Opposing seal surface
6A Sealing ring for fixing
6A1 Seal surface
7A First bellows spring means
7B Second bellows spring means
8A 1st segment seal
8B Second segment seal
8C 3rd segment seal
9A 1st labyrinth seal
9B 2nd labyrinth seal
11 First passage
12 communication path
20 Seal housing
20A connecting part
20B first housing
20C second housing
20D 3rd housing
20E 4th housing
20F Fifth housing
20K end cover
20M spacer
20R aperture ring
25 joint
31 First buffer gas passage
31A Second flow passage
31B First intermediate passage
32 Second buffer gas passage
32A Fourth flow passage
32B Second intermediate passage
33 Third buffer gas passage
35 First outflow passage
35A 3rd flow passage
36 Second outflow passage
36A Fifth passage
50 axis of rotation
51 1st sleeve
52 second sleeve
52A Joint surface
52D first drive pin
53D Second drive pin
55 clasp
60 Mounting part
70 casing
A Inside
B Outside

Claims

A fixing seal ring disposed between a seal housing having a through hole therein and a rotary shaft fitted in the through hole of the seal housing and having a seal surface and held by the seal housing; and the fixing A mechanical seal having an opposing seal surface in close contact with the seal surface of the seal ring for rotation and having the rotating shaft and the rotating seal ring rotating;
An annular first bellows that connects the through hole of the seal housing and the inside of the casing so that a fluid to be sealed can communicate, and elastically deforms according to displacement of the rotary shaft or the casing, and the first bellows A flexible connecting portion for connecting the casing and the main body of the seal housing;
A shaft seal device comprising: a fluid chamber between the fittings of the bellows; and a fluid supply communication path that communicates with the fluid chamber and supplies a fluid having a lower pressure than the fluid to be sealed to the fluid chamber.

2. The shaft according to claim 1, wherein the flexible connecting portion including the first bellows and the at least one bellows fitted on the first bellows is provided on an inner diameter side of the seal housing in a radial direction. Sealing device.

3. The shaft seal device according to claim 1, wherein the flexible connecting portion is formed of a superelastic alloy or a superplastic alloy material.

2. A buffer gas supply passage which is provided with a seal portion between the mechanical seal and the sealed fluid side and communicates with a fluid passage between the seal portion and the mechanical seal. A shaft seal device according to claim 2 or claim 3.

The shaft seal device according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein a dynamic pressure generating groove is formed on a seal surface of the seal ring of the mechanical seal.