专利名称：静压型非接触气封的制作方法
技术领域：
本发明属于适合在对毒性气体、可燃性气体、爆炸性气体、粉尘混合气体等各种气体进行处理的透平机、压气机、压缩机、搅拌机、旋转阀等旋转设备中使用的静压型非接触气封。
背景技术：
作为现有的静压型非接触气封101，具有图8所示结构者(以下称“现有密封”)已经公知。
如图8所示，该现有密封101这样构成，即，具有固定于旋转轴110上的旋转密封环102、通过一对O型环106、106被保持在密封外壳103的圆形内周部上而能够作轴向移动的静止密封环104、安装在静止密封环104的背面部位与密封外壳103之间而推压静止密封环104使之趋向旋转密封环102的弹簧105；形成于两密封环102、104之相向端部上的密封端面120、140，通过作用于它们之间的静压而保持非接触状态，并且，在密封端面120、140之间的环形区域，将其外周一侧的被密封流体区域即机内区域F与其内周一侧的非密封流体区域的机外区域(大气区域)A之间密封起来。
在密封端面120、140之间的环形区域内，通过向静止密封环104的密封端面140上所形成的浅凹槽即静压发生槽109内，引入压力较机内区域F的压力(机内压力)高的诸如氮气等密封气体108，以产生使密封端面120、140之间保持非接触状态的静压。即，被引入静压发生槽109内的密封气体108在密封端面120、140之间形成静压流体膜，依靠该流体膜的存在，使密封端面120、140保持非接触状态并将机内区域F与机外区域A之间密封起来。由于密封气体108的压力较机内压力高，因此，密封气体108虽然会从密封端面120、140之间向机内区域F和机外区域A泄漏，但机内区域F的被密封流体即机内气体不会进入密封端面120、140之间，并且完全不会向机外区域A泄漏。
如图8所示，密封气体108向静压发生槽109的供给，是经由密封外壳103和静止密封环104上所形成的连续的密封气体供给通路180进行的。密封气体供给通路180由下述部分构成，即形成于密封外壳103的内周部与静止密封环104的外周部之间、被轴向并列的一对O型环106、106所密封的环形密闭空间171；形成于密封外壳103上的、将密封气体108向密闭空间171供给的第1通路181；以及形成于静止密封环104上的、将向密闭空间171所供给的密封气体108通过节流孔183引入静压发生槽109内的第2通路182。被引入静压发生槽109内的密封气体108，自静压发生槽109经过密封端面120、140之间而向机内区域F和机外区域A流出，使得密封端面120、140之间因存在靠静压形成的流体膜而保持非接触状态。密封端面120、140之间保持在开启力与闭合力相平衡的非接触状态，所说开启力是向着使得密封端面120、140之间开启的方向起作用的力(由引入到静压发生槽109内的密封气体108的压力(静压)所产生的力以及由作用于静止密封环104的密封端面侧外周部分(形成有密封端面140的端部上的、比密封端面140更靠外周侧的环形部分)148上的机内压力所产生的力)，所说闭合力是向着使得密封端面120、140闭合的方向起作用的力(由将静止密封环104向旋转密封环102方向推压的弹簧105所产生)。引入到静压发生槽109内的密封气体108的压力相应于机内压力的大小要设定得比机内压力高，决定闭合力大小的弹簧105的弹性力(弹簧载荷)则根据密封气体108压力的大小设定成使得密封端面120、140之间的间隙适当(一般地，为5～15μm)。由于密封气体108是经节流孔183节流后引入静压发生槽109内的，因而，即使密封端面120、140的间隙发生变化时，也能够自动对该间隙进行调整而使之保持适当。即，当由于该旋转设备发生振动等原因，密封端面120、140的间隙变大时，自静压发生槽109向密封端面120、140之间流出的密封气体的量和经由节流孔183向静压发生槽109供给的密封气体的量失衡，因而静压发生槽109内的压力降低，导致开启力小于闭合力，因此，密封端面120、140之间的间隙趋于变小，从而将所说间隙的大小调整合适。反之，当密封端面120、140之间的间隙变小时，由于同上的节流作用，静压发生槽109内的压力上升，开启力大于闭合力，故密封端面120、140的间隙增大，从而将所说间隙调整合适。
现有密封101与动压型非接触气封同样，其密封端面120、140之间保持非接触状态，因而能够避免密封端面120、140间发生烧结，可长期良好地保持对机内气体的密封。并且，现有密封101对于动压型非接触气封所不能密封的气体也能够良好地加以密封，具有比动压型非接触气封更广泛的用途。即，作为动压型非接触气封，如众所周知地，是在相对旋转的密封面的一方形成动压发生槽，利用该动压发生槽的作用，靠机内压力在密封端面之间产生动压，从而保持密封端面间为非接触状态，属于基本上允许机内气体从密封端面之间向机外泄漏的密封形式。因此，对于机内气体为毒性气体、可燃性气体、爆炸性气体等属于其性质不允许向机外泄漏的气体的场合，不能够采用动压型非接触气封。与此相比，作为静压型非接触气封的现有密封101，其结构是通过向密封端面120、140之间供给压力高于机内压力的密封气体108而能够如上所述地完全阻止机内气体向机外泄漏，因此，也适于在处理毒性气体、可燃性气体、爆炸性气体之类气体的旋转设备中很好地使用。
但是，虽然现有密封101如上所述地优于动压型非接触气封，但在机内压力较高的高压条件下存在着下述问题而不适于在高压条件下运行的旋转设备中很好地使用。
即，作为现有密封101，为阻止机内气体泄漏而将密封气体108的压力设定得高于机内压力，故在高压条件下，开启力将非常大。因而，为了使该开启力与靠弹簧作用所产生的闭合力相平衡而使密封端面120、140之间的间隙维持得合适，还必须将弹簧105的弹性力设定得比在低压条件下大。另一方面，当设备停止运行、密封气体108的供给停止时，开启力与闭合力二者的平衡被打破，在弹簧105的作用下，静止密封环104被向旋转密封环方向推压而移动到底，使密封端面120、140之间闭合。因此，在弹簧105的弹性力较大的场合，有可能在停止供给密封气体108的同时，静止密封环104剧烈撞击旋转密封环102，从而导致旋转密封环102、104乃至密封端面120、140受损或破坏。
此外，现有密封101，其开启力仅由弹簧载荷所决定而为确定值，故在机内压力变化的条件下，不能发挥良好的密封功能，不适于在该条件下运行的旋转设备中很好地使用。
即，如前所述，可通过由弹簧载荷所产生的闭合力同由静压发生槽109内所引入的密封气体108的压力产生的开启力、由作用于密封端面侧外周部分148的机内压力所产生的开启力的平衡来维持密封端面120、140为非接触状态，但是，弹簧载荷和密封气体108的压力是一定的，因此，当随着机内压力的变化，上述靠机内压力产生的开启力发生变化时，开启力与闭合力之间失去平衡，从而不能够使密封端面120、140之间的间隙保持合适，不能对机内气体进行良好的密封。例如，当设定了密封气体的压力与弹簧载荷之后所设定的机内压力高于作为基准的设计压力时，有可能导致闭合力不足，密封端面120、140之间的开启程度超过正常需要，致使机内气体向机外区域A泄漏。相反，若机内压力高于设计压力，开启力不足，致使密封端面120，140相接触。
对于机内压力发生变化的场合，虽然也可以考虑根据机内压力的变化调整与控制密封气体108的压力的做法，但是由于现有密封101的闭合力仅靠弹簧载荷来保证而为定值，故不能够采用这种方法。即，当通过控制密封气体108的压力来改变开启力时，为与开启力实现平衡，闭合力将变得过大或过小，从而产生如上所述密封气体108的压力一定时的场合所存在的问题。
如上所述，作为现有密封101，在高压条件下和压力变化条件下不能够发挥良好的密封功能，其用途受到极大的限制。
发明的公开本发明的目的是，提供一种无论被密封流体区域的压力条件如何，均能够对被密封流体良好地进行密封的静压型非接触气封。
本发明的另一目的是，提供一种能够尽可能地减小所需要的弹簧载荷、能够防止运行停止时密封端面因撞击而受损乃至损坏的静压型非接触气封。
本发明的再一目的是，提供一种可在较广的压力范围内使用的静压型非接触气封。
上述目的依靠如下构成的静压型非接触气封实现。
即，作为本发明的静压型非接触气封，其密封外壳具有圆筒形的外壳内筒部、围绕该外壳内筒部的圆形外壳内周部、以及将上述两部分连接起来的环形的外壳壁部。在呈同心状贯穿外壳内筒部的旋转轴上，固定有旋转密封环。静止密封环被第1和第20型环保持在密封外壳上而呈与旋转密封环相向的状态，并可在轴向上移动。
第1和第20型环，以在轴向上相隔既定间隔而并列的状态，装在静止密封环的外周部与外壳内周部之间，将静止密封环保持成能够以二次密封的状态沿轴向向外壳内周部移动。第10型环位于较第20型环更靠近旋转密封环的位置上。
第30型环装在静止密封环的内周部与外壳内筒部之间，将静止密封环保持成能够以二次密封状态沿轴向向外壳内筒部移动。两个密封环的相向端面上形成有内外径相同的旋转侧密封端面和静止侧密封端面。
在静止密封环与外壳壁部之间，装有作用于静止密封环而将其向旋转密封环推压的弹簧。形成于外壳内周部与静止密封环外周部之间的环形空间，为被第1和第20型环密封起来的第1密闭空间。形成于外壳壁部与静止密封环的背面之间的环形空间，为被第2和第30型环密封起来的第2密闭空间。作为静止密封环之密封端面的静止侧密封端面上，形成有呈与静止侧密封端面同心的环状而并列的多个静压发生槽。在密封外壳和静止密封环上，形成有与静压发生槽连通的连续的密封气体供给通路。密封气体供给通路将压力较两个密封端面的外周侧被密封流体区域中的压力高的密封气体，经第1密闭空间向静压发生槽供给。
并且，作为静止密封环，第20型环的内周部所与之接触的第2外周部分的直径，较第10型环的内周部所与之接触的第1外周部分的直径小。由于该第1和第2外周部分存在着直径差，故通过供给到第10型环与第20型环之间的第1密闭空间内的密封气体的压力，在静止密封环上作用有指向旋转密封环方向的推压力。该推压力作为在将密封端面闭合的方向上起作用的闭合力而起作用。其结果，与仅靠弹簧载荷获得实现与开启力平衡而所需的闭合力的场合相比，能够减小弹簧载荷的大小。
此外，通过背压导入通路将被密封流体区域与第2密闭空间二者连通，以使得被密封流体区域的压力作为背压作用于静止密封环上。由于该背压的存在，静止密封环上作用有指向旋转密封环方向的推压力。该推压力作为闭合力而起作用，可使弹簧载荷进一步减小。因此，即使在被密封流体区域的压力较高的高压条件下，能够将弹簧的弹性力设定得尽可能小，故即使在停止供给密封气体的运行停止状态下，也不必担心弹簧载荷会导致密封端面剧烈撞击而受损乃至损坏。并且，由于该闭合力是与被密封流体区域的压力变化成比例地变化的，因此，即使在被密封流体区域的压力发生变化的条件下，也能够使闭合力与开启力相平衡，发挥良好的密封作用。
另外，由于采用如下结构，能够如后所述地在密封端面之间由密封气体形成合适的静压流体膜，发挥良好的密封作用。
即，形成于静止侧密封端面上的静压发生槽的槽宽b这样设定其相对于该密封端面的径向宽度即密封面宽度B的槽宽比b/B为0.05≤b/B≤0.3。此外，自静压发生槽至静止侧密封端面之外周缘的径向距离Bo或至该密封端面之内周缘的径向距离Bi这样设定以与槽宽b和密封面宽度B之间存在B-b＝Bo+Bi的关系为前提，设定为0.3B≤Bo≤0.7B-b或0.3B≤Bi≤0.7B-b。此外，将静压发生槽的槽深L设定为0.3～1.0mm。并且，静压发生槽在静止侧密封端面的径向上的间隔，设定为与静压发生槽的槽宽相当的尺寸。
另外，通过采用如下结构，能够如后所述地大幅度扩大可适用的压力范围。
即，被引入到静压发生槽内的密封气体的压力即静压发生槽内密封气体的压力，较被密封流体区域的压力高0.5～1.5bar。并且，将平衡比K设定为0.8≤K≤0.9，所说平衡比K由静止密封环上形成有第30型环卡止部时、第30型环的内周部所与之接触的密封外壳部分的直径或外壳内筒部上形成有该第30型环卡止部时、第30型环的外周部所与之接触的静止密封环部分的直径Dm，与静止侧密封端面的内径D1和外径D2所决定，即K＝((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2)。其中，第30型环卡止部是用来阻止第30型环在引入第2密闭空间内的被密封流体压力的作用下向旋转密封环方向移动。
附图的简单说明
图1是本发明所涉及的非接触气封之一例的纵向半剖侧视图。
图2是在圆周方向上与图1不同的部位进行剖视的该非接触气封纵向半剖侧视图。
图3是对图1的主要部分进行放大的详图。
图4是该非接触气封中静止密封环之密封端面的主视图。
图5是本发明所涉及的非接触气封之变形例的、与图3相当的纵剖侧视图。
图6是本发明所涉及的非接触气封之另一变形例的、与图3相当的纵剖侧视图。
图7是本发明所涉及的非接触气封中平衡比与凹槽压力(静压发生槽内密封气体的压力)以及机内压力(被密封流体区域的压力)的关系曲线图。
图8是现有密封的纵向半剖侧视图。
发明的最佳实施形式图1～图4示出本发明的静压型非接触气封的最佳实施形式。为方便起见，在以下说明中，将图1和图2中的“左右”称作“前后”。
作为图1～图4所示的静压型非接触气封1，其密封作用的基本原理与现有密封101相同，其构成为固定于旋转轴10上的旋转密封环2与密封外壳3上所保持的静止密封环4之间，以靠静压所形成的流体膜为中介而保持非接触状态，并且将两个密封环2、4的相向环形区域的外周侧区域即被密封流体区域F与其内周侧区域即非密封流体区域A之间密封起来。该例中，被密封流体区域F是与安装有该静压型非接触气封1之旋转设备的机内相连通的高压气体区域，以下，将该区域F称作“机内区域”，将该区域的被密封流体称作“机内气体”，将其压力Pf称作“机内压力”。而机外区域A是与该旋转设备的机外相连通的大气区域，以下，将该区域A称作“机外区域”。以下说明中所说的压力均为相对于大气压的表压(bar)。
密封外壳3具有圆筒状的外壳内筒部31、呈同心状围绕该外壳内筒部31的圆形的外壳内周部32、以及将该两部分31、32之间连结起来的环形的外壳壁部33。
旋转轴10呈同心状贯穿外壳内筒部31而在前后方向上延伸，旋转密封环2位于密封外壳内筒部31的前方，通过套筒状固定部件11、12固定在旋转轴10上。
静止密封环4如图1和图2所示，是在外壳内筒部31和外壳内周部32之间所形成的环形空间内，在旋转密封环2的后方位置上，通过第1和第20型环61、62以及第30型环63，可在轴向上移动地得到保持。即静止密封环4的外周部，通过在轴向上隔开既定间隔并列的、前方位置上的第10型环61以及后方位置上的第20型环62，被保持在外壳内周部32上；而静止密封环4的内周部，则通过第30型环被保持在外壳内筒部31的外周部上。另外，图虽未示出，在静止密封环4后端部贯穿设置的卡合凹部与载置于外壳壁部33上的止转销相卡合，故在允许在一定范围内沿轴向移动的状态下，阻止其相对于密封外壳3旋转。
两个密封环2、4的相向端部上，形成有内外径D1、D2分别相同的旋转侧密封端面20和静止侧密封端面40。各密封端面20、40的内外径D1、D2是根据旋转轴10的直径等密封条件进行适当设定。旋转密封环2的密封端面即密封端面20以及静止密封环4的密封端面即密封端面40，由与轴线垂直的平滑的环形平面所构成。各密封环2、4的结构材料，如众所周知的，根据密封条件进行适当选择。该例中，静止密封环4以碳素材料构成。旋转密封环2虽以SUS316构成，但密封端面20特别如图3所示，以CrO2等陶瓷覆层21构成。
第1和第20型环61、62如图1～图3所示，在静止密封环4的外周部与外壳内周部32之间呈被适当压缩的状态插入，允许静止密封环4向前后方向移动(向轴向移动)的同时，对静止密封环4的外周部与外壳内周部32之间进行二次密封。因此，静止密封环4的外周部与外壳内周部32之间形成有被第1和第20型环61、62密封起来的环形的第1密闭空间71。
静止密封环4的外周部上突出地设置有，位于两个O型环61、62之间而对第10型环61向后方的移动以及第20型环62向前方的移动进行限制的环形的O型环卡止部43。外壳内周部32上，形成有对第10型环61向前方的移动进行制约的环形的第10型环卡止部34，以及对第20型环62向后方的移动进行限制的环形的第20型环卡止部35。由于这些卡止部34、35、43的存在，即使第1和第20型环61、62在第1密闭空间71内外压力差的作用下向前后方向移动，也能够保证两个O型环61、62的间隔保持在一定范围内，而不会彼此靠近或分离得太近或太远。即，作为两个O型环61、62，即使它们在第1密闭空间71的内外压力差的作用下在轴向上移动，它们的移动范围也受到限制，被限定在后述第1和第2通路81、82的通向第1密闭空间71的开口部前后两侧位置上，而不会将该开口部堵塞。
静止密封环4外周部的直径为非确定量，将比O型环卡止部43更靠后侧(外壳壁部侧)的部分即第20型环62的内周部所与之接触的第2外周部分42的直径d2，设定得小于比O型环卡止部43更靠前侧(旋转密封环侧)的部分即第10型环61的内周部所与之接触的第1外周部分41的直径d1。即，由于设定成d2＜d1，在向第1密闭空间71供给后述的密封气体8后，在其压力(以下称作“密封气体压力”)Ps的作用下，在静止密封环4上作用有指向旋转密封环方向(前方)的轴向力。该轴向力作为在驱使密封端面20、40闭合的方向上起作用的闭合力(以下称作“密封气体闭合力”)T2而起作用，可由式T2＝(π/4)((d1)2-(d2)2)Ps求得。
而两个外周部分41、42的半径差Δr(＝d1/2-d2/2)，可在考虑旋转轴10的直径和密封端面120、140的直径D1、D2等结构方面的条件，并考虑密封气体闭合力T2以及后述的闭合力T1、T3与后述的开启力U1、U2之间的平衡以及密封功能的基础上，适当地进行设定。一般来说，最好是在0mm＜Δr≤5mm的范围内选定。
第30型环63如图1～图3所示，呈被适当压缩的状态插入静止密封环4的内周部与外壳内筒部31的外周部之间，允许静止密封环4向前后方向移动(向轴线方向移动)的同时，将静止密封环4的内周部与外壳内周部32的外周部之间二次密封。因此，在静止密封环4的后面部即背面部与外壳壁部33之间，形成有被该第30型环与前述第20型环62所密封的环形的第2密闭空间72。静止密封环4的内周部上，形成有限制第30型环相对于静止密封环4向前方移动的环形的第30型环卡止部44，在外壳内筒部31上，形成有限制第30型环61向后方移动的环形的卡止部36。
如图2所示，静止密封环4上形成有使机内区域F与第2密闭空间72连通的背压导入通路45。即，作为背压导入通路45，其一端开口于静止密封环4的密封端面侧外周部分(静止密封环4的前端部上较密封端面40更靠外周侧的环形部分)48上，而另一端开口于静止密封环4的背面部上，可将机内气体自机内区域F向第2密闭空间72引入，使得与机内压力Pf相同的压力作为背压pf(＝Pf)作用于静止密封环4。由于该背压pf的存在，在静止密封环4上作用有将其向前方(旋转密封环方向)推压的轴向力。该轴向力作为在驱使密封端面20、40闭合的方向上起作用的闭合力(以下称作“背压闭合力”)T1而起作用。但是，由于阻止第30型环相对于静止密封环4向前方作相对移动的第30型环卡止部44形成于静止密封环4上，故产生背压闭合力T1的、背压pf所作用的环形受压区域的内径，为第30型环的内周部所接触的密封外壳部分即外壳内筒部31的外周部的直径Dm。而上述环形受压区域的外径为第2外周部分42的直径d2，因此，由背压pf所产生的背压闭合力T1可由T1＝(π/4)((d2)2-(Dm)2)pf求出，与机内区域F压力的变化而相应成比例地变化。而作为背压导入通路45，其所与此同样形成于静止密封环4上的形成位置，应考虑使之不与后述的第2通路81相交叉。
第2密闭空间72内，设有作用于静止密封环4而将其向旋转密封环方向推压的多个弹簧5…(图中仅示出一个)。这些弹簧5…，在以旋转轴10为中心的环形区域内、以相隔既定间隔而并列的状态配设于静止密封环4的背面部与外壳壁部33之间。在满足下述第1和第2条件的范围内，将各弹簧5的弹性力设定为最低所需限度。
即，第1条件是这样一种必要且充分条件，即在保证能够由依靠所有弹簧5…的弹性力(弹簧载荷)而获得的闭合力(以下称作“弹簧闭合力”)T3提供与后述的开启力U1、U2实现平衡所需的闭合力的基础上，以前述闭合力T1、T2对不足部分进行补充。而第2条件是指，设备停止运行、密封气体8的供给停止时，能够靠弹簧闭合力T3，使静止密封环4克服O型环61、62、63的滑动阻力而平滑且良好地移动并保持在使之呈与旋转密封环2相接触状态(将密封端面20、40之间封闭而使机内气体不会泄漏的状态)的位置上。一般来说，作为第1条件，因闭合力T1、T2的关系而包含于第2条件中，因此，只要在满足第2条件的范围内，设定弹簧5的弹性力为最低所需限度即可。
如图3和图4所示，在密封端面40上，形成有呈与该密封端面40同心的环形而并列的多个静压发生槽9…。并且，在密封外壳3和静止密封环4上，形成有将压力较机内压力Pf高的密封气体8供给静压发生槽9的连续的密封气体供给通路80，与现有密封101同样，利用被引入静压发生槽9…中的密封气体8而使密封端面20、40之间保持非接触状态，并将机内区域F与机外区域A之间密封。
密封气体供给通路80如图1、图3和图4所示，是将形成于密封外壳3上的第1通路81和形成于静止密封环4上的第2通路82通过第1密闭空间71实现连通的连续通路。第1通路81与未图示的密封气体供给源相连接，并在外壳内周部32上开口于第1密闭空间71。该开口部配置在与限制第1和第20型环61、62相靠近的O型环卡止部43正对的位置上。第2通路82的一端贯穿O型环卡止部43而开口于第1密闭空间71，其另一端分岔而开口于各静压发生槽9的长度方向上的中央部位。在第2通路82上设有适宜的节流机构(本例中，为节流孔)83，该节流机构83配置于通向各静压发生槽9的分岔部位之上游侧的适当位置上，发挥与本说明书开头部分所述的节流孔183同样功能。作为密封气体8，根据密封条件(机内气体的性状等)适当地选择即使自各区域F、A流出也无害的气体(例如，不会对机内气体的性状、成分、质量等产生不良影响、对人体无害的气体)。一般采用对各种气体呈非活性且对人体无害的氮气。密封气体8，只在当配备本静压型非接触气封1的旋转设备处于运行状态时供给，而在该设备停止运行后停止供给。一般地，该设备的运行(对旋转轴10的驱动)，是在密封气体8的供给开始之后且密封端面20、40之间保持在非接触状态之后开始，而停止供给密封气体8是在该设备停止运行后且旋转轴10完全停止旋转之后进行。
对于自未图示的密封气体供给源向第1通路81供给的密封气体的压力，作如下控制，即使得经由节流孔83而从第2通路82向各静压发生槽9引入的密封气体8的压力即各静压发生槽9内的压力(以下称作“凹槽压力”)ps较机内压力Pf高0.5～1.5bar。其理由是，虽说形成于密封端面40上的、静压发生槽9、9彼此间的密封端面部分(以下称作“槽间端面部分”)49的周向长度R，是如后所述地设定为与静压发生槽9的槽宽相同或大致相同的尺寸，但当ps＜Pf+0.5bar时，由形成于密封端面20、40之间的密封气体8所生成的流体膜，其压力分布在与槽间端面部分49对应的部位产生大的变化，与槽间端面部分49对应部位的流体膜压力将低于机内压力Pf，从而有可能导致机内气体自槽间端面部分49与旋转侧密封端面20二者之间向机外区域A泄漏。而当ps＞Pf+0.5bar时，自密封端面20、40向机内区域F泄漏的密封气体的量将超过正常量。
在该例中，为了将凹槽压力ps如上所述地维持成Pf+0.5bar≤ps≤Pf+1.5bar，而将密封气体压力Ps控制在Pf+1.5bar≤Ps≤Pf+2.5bar。但是，对于密封气体压力Ps，在该设备运行时(旋转轴10旋转时)机内压力Pf不变化或虽然变化但其变化幅度较小的场合(例如，机内压力Pf的变化幅度为0～0.3bar的场合)，使其在满足上述条件(Pf+0.5bar≤ps≤Pf+1.5bar或Pf+1.5bar≤Ps≤Pf+2.5bar)的范围内保持一定。而在运行时机内压力Pf变化幅度较大的场合(例如，机内压力Pf的变化幅度超过0.3bar的场合)，若使密封气体压力Ps保持一定，则会出现不能满足上述条件的现象，因此，最好根据机内压力Pf的变化对机内压力P进行调控以满足上述条件。该调控可通过采用差压控制阀等公知的控制系统很容易实现。当然，在机内压力Pf的变化幅度较小(例如为0.3bar以下)的场合，也可以根据机内压力Pf的变化对密封气体压力Ps进行调控。
这样，当自密封气体供给通路80向各静压发生槽9引入密封气体8从而作用有作为上述静压的凹槽压力ps时，与本说明书开头部分所述静压型非接触气封1同样地，在密封端面20、40之间作用有使密封端面20、40相分离的开启力(以下称作“密封气体开启力”)U1，该密封气体开启力U1以及靠作用于密封端面侧外周部分48的机内压力Pf而将静止密封环4向后方推压的轴向力所产生的开启力(以下称作“机内气体开启力”)U2与前述闭合力T1、T2、T3相平衡，使密封端面20、40之间保持非接触状态。机内气体开启力U2可由式U2＝(π/4)((d1)2-(D2)2)Pf求得。
于是，作为闭合力，除了弹簧载荷所产生的弹簧闭合力T3之外，还有背压闭合力T1与密封气体闭合力T2，从而与整个闭合力只靠弹簧载荷获得的现有密封101相比，可使得与开启力U1、U2实现平衡所必需的弹簧载荷大幅度降低，能够如上所述地将各弹簧5的弹性力设定成最低所需限度。
但是，作为本发明的静压型非接触气封1，其结构如前所述，将作为静止密封环4的背面区域的第1密闭空间71通过背压导入通路45与机内区域F连通，使得机内压力Pf作为背压pf作用于静止密封环4，因此，可将该密封1做成适用于高压条件下的平衡型密封结构。即，该静压型非接触气封1内的平衡比K可以做到1以下。这里的平衡比K，与公知的平衡型密封一样，可由密封端面20、40的内外径D1、D2以及静止密封环4上作用有背压pf的环状受压区域的内径即第30型环63的内周部接触面的直径Dm决定，设计中，可设计为K＝((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2)。
另一方面，对于本发明的静压型非接触气封1，在将凹槽压力ps如前所述维持为Pf+0.5bar≤ps≤Pf+1.5bar的场合，若如图7所示K为K＜0.8或0.9＜K≤1，则机内压力Pf的应用范围将变窄。
由于这一理由，为了既满足Pf+0.5bar≤ps≤Pf+1.5bar的条件，又可适用于较宽的压力范围，将平衡比K(＝((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2))设定为0.8≤K≤0.9。
各静压发生槽9呈以静止密封环4的轴心为中心的圆弧形状，所有的静压发生槽9…为同一形状。静压发生槽9的形成数量，一般根据密封条件(静止侧密封端面40的内外径D1、D2等)在3～12个的范围内适当进行设定。本例中，有4个静压发生槽9…在静止密封端面40的周向上相隔等间隔R形成。
静压发生槽9的槽深L为定值，由于下述理由而设定为0.3mm≤L≤1.0mm。即，若L＞1.0mm，则槽9的内容积变大，故容易产生起因于密封气体8可压缩性的不稳定现象。例如，有可能导致凹槽压力ps发生变化从而引起静止密封环2产生振动。这是由于，节流孔83对密封气体8的节流功能(压力降低)是一定的，而相对于此，密封端面20、40对密封气体8的节流功能随着密封端面20、40间隔的变化而变化，因此，虽然在节流孔83的上游侧部分，密封气体8的压力不会因密封端面20、40间隔的变化而变化，但在节流孔83的下游侧部分(静压发生槽9的内部)，密封气体8的压力因所说间隔的变化而变化，从而产生一种自激振荡现象。而若L＜0.3mm，则容易导致凹槽压力ps在静压发生槽9的长度方向上压力分布不均。例如，当密封气体8自第2通路82被引入静压发生槽9的中央部位时，被引入的密封气体8有可能不能充分到达静压发生槽9的长度方向上的两端，而在中途向静压发生槽9外泄漏。
静压发生槽9的槽宽b为定值，特别由于下述理由而设定为，相对于密封端面20、40的径向宽度即密封面宽度B(＝(D2-D1)/2)的比例即槽宽比b/B为0.05≤b/B≤0.3。即，若槽宽b小于0.05B而b/B＜0.05，则不能够获得与凹槽压力ps相匹配的足够大的密封气体开启力U1，导致密封气体开启力U1过小。其结果，为了实现开启力与闭合力的平衡，必须将凹槽压力ps乃至密封气体压力Ps提高到正常需要值以上。若槽宽b大于0.3B而b/B＞0.3，则密封气体开启力U1将过大，其结果，为了实现开启力与闭合力的平衡，必须通过增大弹簧5的弹性力等措施将闭合力提高到正常需要值以上。
此外，静压发生槽9…的相互间隔即各槽之间槽间端面部分49在周向上的长度R设定为与上述槽部b同一尺寸，以尽可能防止槽间端面部分49所对应部位处密封气体8的压力发生变化(压力降低)，保持密封端面20、40之间流体膜在周向上的压力分布均匀。具体地说，虽然也与密封端面20、40的内外径尺寸等有关，但一般设定为R＝1～4mm。
另外，静压发生槽9在密封端面40的径向上的形成位置，可以由自静止侧密封端面40的外周缘至静压发生槽9的径向距离(以下称作“外侧端面宽度”)Bo或静止侧密封端面40的内周缘至静压发生槽9的径向距离(以下称作“内侧端面宽度”)Bi进行决定，但由于下述理由，所说外侧端面宽度Bo或内侧端面宽度Bi是以槽宽b及密封面宽B之间存在B-b＝Bo+Bi的关系为前提，而设定为0.3B≤Bo≤0.7B-b或0.3B≤Bi≤0.7B-b。即，若设定为Bo＜0.3B或Bi＞0.7B-b，则无论其它条件如何，密封气体向机内区域F的泄漏量将增大，并且，密封端面20、40之间流体膜在径向上的压力分布将不均匀，破坏密封端面20、40的平行度，不能够使密封端面20、40保持适度的非接触状态。若设定为Bi＜0.3B或Bo＞0.7B-b，则无论其它条件如何，密封气体向机外区域A的泄漏量将增大，并且，密封端面20、40之间流体膜在径向上的压力分布将不均匀，破坏密封端面20、40的平行度，不能够使密封端面20、40保持适度的非接触状态。而在上述范围内，可以通过改变外侧端面宽度Bo或内侧端面宽度Bi，而对密封气体向各区域F、A的泄漏量进行任意的调整。例如，欲减少密封气体向机内区域F的泄漏量的场合，可将外侧端面宽度Bo加大，而欲减少密封气体向机外区域A的泄漏量的场合，可将内侧端面宽度Bi加大。
因此，如上所述地设定静压发生槽9的槽宽b、槽深L、槽间端面部分49的周向长度R、外侧端面宽度Bo以及内侧端面宽度Bi，不仅能够尽可能地减少密封气体向各区域F、A的泄漏量，而且能够使密封端面20、40保持适度的非接触状态，发挥良好的密封功能。
本发明所涉及的静压型非接触气封1并不限于上述结构，在不超出本发明基本原理的范围内，可以进行适当的改动与改进。
例如，第30型环卡止部44也可以形成于外壳内筒部31上。即，使第20型环62如图5所示，与形成于外壳内筒部31外周部的环形槽37相卡合而得以保持，以该环形槽37的前端部作为第30型环卡止部44。此时，决定背压闭合力T1及平衡比K的Dm为第30型环外周部所与之接触的静止密封环部分即内周面的直径。
另外，限制第1和第20型环61、62作轴向移动的O型环卡止部43，也可以如图6所示，形成于外壳内周部32上。此时，第1通路81贯穿O型环卡止部43而开口于第1密闭空间71。
此外，背压导入通路45也可以如图6所示，将与机内区域F对应的密封外壳部分上所形成的通孔45a和与第2密闭空间72对应的密封外壳部分(外壳壁部33)上所形成的通孔45b二者以配置于密封外壳3外的适当的外部配管45c进行连接而构成。
权利要求
1.一种静止型非接触气封，其特征是具有密封外壳，该密封外壳具有圆筒形的外壳内筒部、围绕该外壳内筒部的圆形外壳内周部、以及将上述两部分连接起来的环形的外壳壁部；固定在呈同心状贯穿外壳内筒部的旋转轴上的旋转密封环；静止密封环，该静止密封环由于其外周部通过在轴向上相隔既定间隔而并列的第1和第20型环保持在外壳内周部上，并且其内周部通过第30型环保持在外壳内筒部上，故在密封外壳内被保持成能够以与旋转密封环相向的状态在轴向上移动，作为该静止密封环，第20型环的内周部所与之接触的第2外周部分的直径，小于位置比第20型环更靠近旋转密封环的第10型环的内周部所与之接触的第1外周部分的直径；安装在静止密封环与外壳壁部之间并作用于静止密封环而将其朝向旋转密封环进行推压的弹簧；分别形成于两个密封环的相向端面上的、内外径相同的旋转侧密封端面和静止侧密封端面；形成于作为静止密封环之密封端面的静止侧密封端面上的、呈与静止侧密封端面同心的环状而并列的多个静压发生槽；作为形成于外壳内周部与静止密封环外周部之间的环形空间的、被第1和第20型环密封起来的第1密闭空间；第2密闭空间，该第2密闭空间为形成于外壳壁部与静止密封环的背面之间的环形空间，被第2和第30型环密封起来；形成于密封外壳和静止密封环上的、将压力高于两个密封端面的外周侧被密封流体区域压力的密封气体经第1密闭空间向静压发生槽供给的密封气体供给通路。使被密封流体区域与第2密闭空间二者连通的背压导入通路。
2.如权利要求1的静压型非接触气封，其特征是，形成于静止侧密封端面上的静压发生槽的槽宽b这样设定相对于该密封端面的径向宽度即密封面宽度B的槽宽比b/B为0.05≤b/B≤0.3。
3.如权利要求2的静压型非接触气封，其特征是，自静压发生槽至静止侧密封端面之外周缘的径向距离Bo或至该密封端面之内周缘的径向距离Bi这样设定以与槽宽b和密封面宽度B之间具有B-b＝Bo+Bi的关系为前提，设定为0.3B≤Bo≤0.7B-b或0.3B≤Bi≤0.7B-b。
4.如权利要求1、2或3的静压型非接触气封，其特征是，静压发生槽的槽深L设定为0.3～1.0mm。
5.如权利要求2、3或4的静压型非接触气封，其特征是，静压发生槽在静止侧密封端面的径向上的间隔设定为与静压发生槽的槽宽尺寸相同。
6.如权利要求1、2、3、4或5的静压型非接触气封，其特征是，其结构使得被引入静压发生槽内的密封气体的压力较被密封流体区域的压力高0.5～1.5bar。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6的静压型非接触气封，其特征是，在静止密封环或外壳内筒部上，形成有阻止第30型环在被引入第2密闭空间内的被密封流体的压力的作用下向旋转密封环方向移动的第30型环卡止部；由第30型环卡止部形成于静止密封环上时第30型环的内周部所与之接触的密封外壳部分的直径，或该第30型环卡止部形成于外壳内筒部上时第30型环的外周部所与之接触的静止密封环部分的直径，Dm与密封端面的内径D1以及外径D2所决定的平衡比K＝((D2)2-(Dm)2)/((D2)2-(D1)2)，设定为0.8≤K≤0.9。
全文摘要
本发明的静压型非接触气封,其第20型环(62)所与之接触的静止密封环(4)之第2外周部分(42)的直径d
文档编号F16J15/34GK1245552SQ9718148
公开日2000年2月23日 申请日期1997年11月21日 优先权日1997年11月21日
发明者布施敏彦 申请人:日本皮拉工业株式会社