(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
回転軸と、該回転軸が挿通される軸孔を有し、かつ内周面側と軸線方向の一方側にそれぞれ開口する環状凹部を有するハウジングとの間の環状隙間を封止するセグメントシールにおいて、
前記環状凹部の側壁面に密着し、かつ前記回転軸の外周面に摺動自在に設けられると共に、周方向に複数に分割された構造のカーボン製のシールリングと、
該シールリングにおける前記軸線方向の一方側に設けられたキー溝に嵌合された状態で前記ハウジングに固定されるキーと、
を備え、
前記キー溝は、軸線方向に見て、径方向に伸びる溝本体部分と、内周面側で該溝本体部分の両側に前記キーから離れるように拡がる一対の逃げ溝部分とを有しており、これら一対の逃げ溝部分のうち前記回転軸の回転方向の上流側の逃げ溝部分は、前記キーの内周面側の先端よりも外周面側に拡がるように設定され、かつ、下流側の逃げ溝部分よりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されていることを特徴とするセグメントシール。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、キー溝の摩耗の進行を抑制し、シールリングの耐久性の向上を図ったセグメントシールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
【0007】
すなわち、本発明は、回転軸と、該回転軸が挿通される軸孔を有し、かつ内周面側と軸線方向の一方側にそれぞれ開口する環状凹部を有するハウジングとの間の環状隙間を封止するセグメントシールにおいて、
前記環状凹部の側壁面に密着し、かつ前記回転軸の外周面に摺動自在に設けられると共に、周方向に複数に分割された構造のカーボン製のシールリングと、
該シールリングにおける前記軸線方向の一方側に設けられたキー溝に嵌合された状態で前記ハウジングに固定されるキーと、
を備え、
前記キー溝は、軸線方向に見て、径方向に伸びる溝本体部分と、内周面側で該溝本体部分の両側に前記キーから離れるように拡がる一対の逃げ溝部分とを有しており、これら一対の逃げ溝部分のうち前記回転軸の回転方向の上流側の逃げ溝部分は、前記キーの内周面側の先端よりも外周面側に拡がるように設定され、かつ、下流側の逃げ溝部分よりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されていることを特徴とする。
【0008】
本発明によれば、キー溝には、一対の逃げ溝部分が設けられていることで、回転軸からの振動が、キー溝とキーとの接触部分に伝わり難くなり、キー溝の摩耗の進行を抑制できる。
【0009】
また、通常、長期使用によって、キーは、キー溝のうち回転軸の回転方向の上流側の側壁面側にずれていき易い。そのため、キー溝のうち、この上流側の側壁面側において摩耗が進行され易い。これに対して、本発明においては、この上流側の逃げ溝部分は、キーの内周面側の先端よりも外周面側に拡がるように設定されている。これにより、キーの内周面側の先端がキー溝の側壁面に接することを防止でき、キー溝の摩耗の進行を効果的に抑制できる。また、上記の上流側の逃げ溝部分の方が、下流側の逃げ溝部分よりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されている。従って、キー溝の摩耗の進行をより効果的に抑制することができる。なお、一対の逃げ溝部分の両者の寸法を大きくすると、シールリング自体の強度低下を招いてしまう。これに対して、本発明においては、上記の上流側の逃げ溝部分の寸法のみを大きくしているので、強度低下を抑制しつつ、キー溝の摩耗の進行を抑制することができる。
【発明の効果】
【0010】
以上説明したように、本発明によれば、キー溝の摩耗の進行を抑制し、シールリングの耐久性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【
図1】
図1は本発明の実施例に係るシールリングを構成する部品を軸線方向の一方側から見た図である。
【
図2】
図2は本発明の実施例に係るシールリングを構成する部品を内周面側から見た図である。
【
図3】
図3は本発明の実施例に係るシールリングを構成する部品を軸線方向の他方側から見た図である。
【
図4】
図4は本発明の実施例に係るシールリングを構成する部品を2つ組み合わせた状態を示す斜視図である。
【
図5】
図5は本発明の実施例に係る支持部材を軸線方向の他方側から見た図である。
【
図6】
図6は本発明の実施例に係る支持部材を外周面側から見た図の一部である。
【
図7】
図7は本発明の実施例に係る支持部材の断面図である。
【
図8】
図8は本発明の実施例に係るセグメントシールの装着状態を示す模式的断面図である。
【
図9】
図9は本発明の実施例に係るセグメントシールの装着状態を示す模式的断面図である。
【
図10】
図10は本発明の実施例に係るセグメントシールにおけるキーとキー溝の位置関係を示す図である。
【
図11】
図11は本発明の実施例に係るセグメントシールにおけるキーとキー溝の位置関係を示す図である。
【
図12】
図12は本発明の実施例に係るキーの変形例1を示す図である。
【
図13】
図13は本発明の実施例に係るキーの変形例2を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【0013】
(実施例)
図1〜
図11を参照して、本発明の実施例に係るセグメントシールについて説明する。なお、本実施例に係るセグメントシールは、航空機用のジェットエンジンのシャフトシールとして好適に用いられる他、各種産業機械における回転機器等のシールとして用いることができる。
【0014】
<セグメントシール>
特に、
図8及び
図9を参照して、本発明の実施例に係るセグメントシール100の全体的な構成について説明する。
図8及び
図9はセグメントシール100の装着状態を示す模式的断面図であり、いずれも軸線を含む断面で切断した断面図である。なお、軸線とは、回転軸200の他、セグメントシール100を構成する各種環状の部材の中心軸線である。また、
図8は後述するシールリング10におけるコンプレッションスプリング穴14が設けられている部位を通る断面図であり、
図9はシールリング10におけるキー溝15が設けられている部位を通る断面図である。なお、
図8中のシールリング10は
図1中のXX断面に相当し、
図9中のシールリング10は
図1中のYY断面に相当する。
【0015】
本実施例に係るセグメントシール100は、回転軸200と、この回転軸200が挿通される軸孔を有するハウジング300との間の環状隙間を封止する。ハウジング300は、内周面側と軸線方向の一方側(
図8,9中右側)にそれぞれ開口する環状凹部310を有している。セグメントシール100は、この環状凹部310内に装着される。
【0016】
セグメントシール100は、シールリング10と、シールリング10を内周面側に向かって押圧するエキステンションスプリング20と、シールリング10を環状凹部310の側壁面側(軸線方向の他方側)に向かって押圧するコンプレッションスプリング30とを備えている。また、セグメントシール100は、更に、コンプレッションスプリング30を支持するプレート40と、シールリング10がハウジング300に対して回転しないようにするためのキー50とを備えている。更に、セグメントシール100は、これらシールリング10,エキステンションスプリング20,コンプレッションスプリング30,プレート40、及びキー50が環状凹部310から軸線方向の一方側に抜け落ちてしまうことを防止するスナップリング60を備えている。
【0017】
なお、キー50は、後述のように、プレート40に対して溶接等により固定されている。このようにプレート40に対してキー50が固定されたものを支持部材と称する。
【0018】
<シールリング>
特に、
図1〜
図4を参照して、本実施例に係るシールリング10について説明する。
図1は本実施例に係るシールリング10を構成するシールリング部品10Aを軸線方向の一方側から見た図である。
図2は本実施例に係るシールリング部品10Aを内周面側から見た図である。
図3は本実施例に係るシールリング部品10Aを軸線方向の他方側から見た図である。なお、
図2は
図1,3においてシールリング部品10Aを矢印A方向に見た図である。また、
図1は
図2においてシールリング部品10Aを矢印B方向に見た図であり、
図3は
図2においてシールリング部品10Aを矢印C方向に見た図である。
図4は本実施例に係るシールリング部品10Aを2つ組み合わせた状態を示す斜視図である。
【0019】
シールリング10は、カーボン製であり、周方向に複数に分割された構造である。本実施例においては、寸法及び形状が同一の3つのシールリング部品10Aを組み合わせることによって、環状のシールリング10が構成される。シールリング部品10Aは一方の端部に嵌合凸部16が設けられ、他方の端部に嵌合凹部17が設けられている。そして、隣り合う一方のシールリング部品10Aにおける嵌合凸部16を他方のシールリング部品10Aにおける嵌合凹部17に嵌合させるようにして、3つのシールリング部品10Aを組み合わせることで、環状のシールリング10を得ることができる。
【0020】
ここで、嵌合凸部16は、軸線方向に対して傾斜し、かつ径方向に対しても傾斜する傾斜面16aを有している。また、嵌合凹部17も、軸線方向に対して傾斜し、かつ径方向に対しても傾斜する傾斜面17aを有している。そして、嵌合凸部16を嵌合凹部17に嵌合させた状態では、これらの傾斜面16a,17aが摺動自在に面接触した状態となる。これにより、隣り合うシールリング部品10A同士の間において、軸線方向及び径方向のいずれに対してもシール性が発揮される。
【0021】
以上のように、3つのシールリング部品10Aが組み合わされることで構成される環状のシールリング10は、その外周面側にエキステンションスプリング20が装着される溝11と、軸線方向の他方側に設けられる圧力バランス溝12と、内周面側に設けられる圧力バランス溝(第1圧力バランス溝13及び第2圧力バランス溝13a)と、コンプレッションスプリング30が装着されるコンプレッションスプリング穴14と、キー溝15とを備えている。
【0022】
シールリング10の軸線方向の他方側に設けられる圧力バランス溝12は、各シールリング部品10Aに対して、それぞれ1か所ずつ周方向の略全域に亘るように設けられている。シールリング10の内周面側に設けられる圧力バランス溝は、軸線方向に伸びる第1圧力バランス溝13と周方向に伸びる第2圧力バランス溝13aとから構成される。第1圧力バランス溝13は軸線方向の一方側に開口し、第2圧力バランス溝13aに繋がるように構成されている。そして、第1圧力バランス溝13は、各シールリング部品10Aに対して、それぞれ6か所に設けられている。また、第2圧力バランス溝13aは、各シールリング部品10Aに対して、それぞれ1か所ずつ周方向の略全域に亘るように設けられている。
【0023】
コンプレッションスプリング穴14は、各シールリング部品10Aに対して、それぞれ3か所に設けられている。キー溝15は、各シールリング部品10Aに対して、それぞれ1か所に設けられている。そして、シールリング10全体では、コンプレッションスプリング穴14は合計9か所に設けられており、9個のコンプレッションスプリング30が装着される。また、シールリング10全体では、キー溝15は合計3か所に設けられており、3個のキー50が嵌合される。
【0024】
<支持部材>
特に、
図5〜
図7を参照して、本実施例に係る支持部材について説明する。
図5は本実施例に係る支持部材を軸線方向の他方側から見た図である。
図6は本実施例に係る支持部材を外周面側から見た図の一部であり、
図5中矢印D方向に見た図である。
図7は本実施例に係る支持部材の断面図であり、
図5中ZZ断面図である。
【0025】
支持部材は、上記の通り、プレート40に対してキー50が固定された構成である。プレート40とキー50はいずれも金属材料から構成される。プレート40は、孔の空いた円板状の部材であり、キー50は、断面が略コ字状の部材である。そして、プレート40に対して、キー50が120°毎の計3か所に溶接により固定される。
【0026】
<セグメントシールの使用状態>
特に、
図8及び
図9を参照して、本実施例に係るセグメントシール100の使用状態について説明する。
【0027】
上記の通り、セグメントシール100は、環状凹部310内に装着される。ここで、セグメントシール100の装着手順について簡単に説明する。まず、3つのシールリング部品10Aを組み合わせて、環状のシールリング10を組み立てる。この状態で、シールリング10に設けられている溝11にエキステンションスプリング20を装着する。そして、シールリング10を環状凹部310内に挿入する。そして、シールリング10に設けられている合計9か所のコンプレッションスプリング穴14にそれぞれコンプレッションスプリング30を装着する。次に、3か所のキー50をシールリング10に設けられている3か所のキー溝15にそれぞれ嵌合させるように、支持部材を環状凹部310内に装着する。その後、環状凹部310の内周面に形成されている環状溝320にスナップリング60を嵌め込む。以上により、セグメントシール100は、環状凹部310内に装着される。その後、回転軸200を挿入させて、ハウジング300を各種機器に固定する。
【0028】
セグメントシール100が環状凹部310内に装着された状態においては、シールリング10は、9個のコンプレッションスプリング30によって、環状凹部310の側壁面側に向かって押圧される。そのため、シールリング10は、当該側壁面に対して密着した状態となる。また、プレート40及びスナップリング60を介してハウジング300に固定された3か所のキー50が、各キー溝15に嵌合されている。そのため、シールリング10は廻り止めがなされる。つまり、シールリング10はハウジング300に対して回転しない状態となる。これにより、回転軸200が回転した状態では、シールリング10はハウジング300に対して静止した状態を維持しつつ、シールリング10の内周面と回転軸200の外周面との間で摺動する。
【0029】
以上の構成により、シールリング10と環状凹部310の側壁面との間、及びシールリング10の内周面と回転軸200の外周面との間でそれぞれシール部が形成される。これにより、セグメントシール100を介して、
図8及び
図9中右側の領域に密封される高圧ガスなどの密封対象流体が図中左側の領域に漏れてしまうことを抑制することが可能となる。ここで、密封対象流体は、シールリング10の軸線方向の他方側に設けられる圧力バランス溝12、及びシールリング10の内周面側に設けられる圧力バランス溝(第1圧力バランス溝13と第2圧力バランス溝13a)内に導かれる。従って、密封対象流体の圧力が高くなっても、シールリング10における外周面側と内周面側との圧力バランスをとり、かつ軸線方向の両側の圧力バランスをとることができる。これにより、シールリング10の摺動摩耗を抑制することができ、長寿命化を図ることができる。
【0030】
<キー及びキー溝>
特に、
図10及び
図11を参照して、本実施例に係るセグメントシール100におけるキー50とキー溝15について、より詳細に説明する。
図10及び
図11は本実施例に係るセグメントシール100において、キー50がキー溝15に嵌合された状態におけるキー50とキー溝15の位置関係を示す図である。なお、
図10は初期状態を示し、
図11は長期使用後の状態を示している。
【0031】
図示のように、キー溝15は、軸線方向に見て、径方向に伸びる溝本体部分15aと、内周面側で溝本体部分15aの両側にキー50から離れるように拡がる一対の逃げ溝部分15b,15cとを有している。そして、これら一対の逃げ溝部分15b,15cのうち回転軸200の回転方向Rの上流側の逃げ溝部分15cは、キー50の内周面側の先端50aよりも外周面側に拡がるように設定されている。また、この上流側の逃げ溝部分15cは、下流側の逃げ溝部分15bよりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されている。なお、上記回転方向Rの下流側の逃げ溝部分15bは、軸線方向に見て、キー50から離れるように円弧状に拡がる形状である。これに対して、上流側の逃げ溝部分15cは、軸線方向に見て、キー50から離れるように略矩形(但し、角部は湾曲面(いわゆるR面)にて構成されている)に拡がる形状である。
【0032】
ここで、キー50がキー溝15に嵌合された状態においては、キー50の両側が、部分的に溝本体部分15aの両側壁面に接触した状態となり、また、キー50の両側と溝本体部分15aの両側壁面との間には部分的に僅かなクリアランスが形成された状態となる。初期状態においては、キー50は溝本体部分15aの中央に位置している。しかしながら、長期使用によりキー50と溝本体部分15aとの接触部分で摩耗が進行することにより、キー50はキー溝15のうち回転軸200の回転方向Rの上流側の側壁面側にずれていき易い。
図11においては、キー50がキー溝15のうち回転軸200の回転方向Rの上流側の側壁面側にずれた状態を示している。
【0033】
<本実施例に係るセグメントシールの優れた点>
以上説明したように、本実施例に係るセグメントシール100においては、シールリング10に設けられたキー溝15には、一対の逃げ溝部分15b,15cが設けられている。これにより、回転軸200からの振動が、キー溝15とキー50との接触部分に伝わり難くなり、キー溝15の摩耗の進行を抑制できる。また、逃げ溝部分を設けずに直線的な溝だけで構成した場合に比して、回転軸200から受ける力を分散でき、応力の集中を緩和できる。そのため、キー溝15の摩耗の進行が抑制される。
【0034】
また、上記のように、長期使用によって、キー50は、キー溝15のうち回転軸200の回転方向Rの上流側の側壁面側にずれていき易い。そのため、何ら対策を講じていない場合には、キー溝15のうち、この上流側の側壁面側において摩耗が進行され易い。しかしながら、本実施例に係るセグメントシール100においては、この上流側の逃げ溝部分15cは、キー50の内周面側の先端50aよりも外周面側に拡がるように設定されている。これにより、キー50の内周面側の先端50aがキー溝15(溝本体部分15a)の側壁面に接することを防止でき、キー溝15の摩耗の進行を効果的に抑制できる。
【0035】
また、本実施例においては、この上流側の逃げ溝部分15cは、下流側の逃げ溝部分15bよりも径方向及び周方向の寸法が大きく設定されている。つまり、摩耗が進行され易い側である逃げ溝部分15cの寸法が大きく設定されている。従って、キー溝15の摩耗の進行をより効果的に抑制することができる。なお、一対の逃げ溝部分15b,15cの両者の寸法を大きくすると、シールリング10自体の強度低下を招いてしまう。これに対して、本実施例においては、上流側の逃げ溝部分15cの寸法のみを大きくしているので、強度低下を抑制しつつ、キー溝15の摩耗の進行を抑制することができる。
【0036】
更に、本実施例においては、上流側の逃げ溝部分15cは、軸線方向に見て、キー50から離れるように略矩形状に拡がるように構成されている。これにより、円弧状に拡がるように構成される場合に比べて、逃げ溝部分15c全体の広さを広くすることができる。ただし、上流側の逃げ溝部分15cの形状に関しては、これに限られるものではなく、使用環境に応じて各種の形状を採用し得る。従って、上流側の逃げ溝部分15cについても、下流側の逃げ溝部分15bと同様に、軸線方向に見て、キー50から離れるように円弧状に拡がる形状としてもよい。
【0037】
(その他)
上記実施例においては、シールリング10が周方向に3分割された構造の場合を示したが、本発明が適用可能なシールリングについては、分割される個数は限定されるものではない。また、本発明が適用可能なシールリングについては、キー及びキー溝の個数についても限定されるものではない。また、上記実施例では、回転軸が単体で構成される場合を示したが、本発明は、回転軸が、軸本体と、軸本体を保護するために軸本体の外周に装着されるランナー(環状部材)とにより構成される場合にも適用可能である。この場合、シールリング10はランナーの外周面に対して摺動自在に設けられる。また、上記実施例では、支持部材が、プレート40とキー50とを溶接等により固定された場合の構成を示したが、本発明は、支持部材がプレートとキーの一体構造で構成される場合にも適用可能である。
【0038】
また、上記実施例においては、キー50は、断面が略コ字状の部材で構成される場合を示したが、本発明において適用可能なキーの構造については上記実施例で示したものに限定されるものではない。例えば、
図12に示すキー51のように、断面が略矩形のブロック状の部材を用いてもよい。キー溝15への嵌め込み易さや溶接のし易さの点では、上記キー50の方が優れているが、強度を高くしたい場合には、
図12に示すキー51を採用すればよい。なお、
図12は上記実施例で示した
図6(
図5中矢印D方向に見た図)に相当する。また、
図13に示すキー52のように、キー52の両側壁面にキー溝15の側壁面に当接する複数の円弧状の突起52aを設ける構成を採用してもよい。このような構成を採用すれば、キー52が回転軸200の振動に追随し易くなるため、シール性が高まり、また、キー52の先端エッジ部がキー溝15に当り難いという利点がある。なお、
図13は上記実施例で示した
図10に相当する。