特許 6193564 ハニカムシールおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6193564

(24)【登録日】2017年8月18日

(45)【発行日】2017年9月6日

(54)【発明の名称】ハニカムシールおよび方法

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/44 20060101AFI20170828BHJP

   F01D 11/02 20060101ALI20170828BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20170828BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20170828BHJP

   F04D 29/16 20060101ALI20170828BHJP

   F04D 29/08 20060101ALI20170828BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/44 A

   F01D11/02

   F01D25/00 M

   F01D25/24 P

   F04D29/16

   F04D29/08 E

【請求項の数】10

【外国語出願】

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-272908(P2012-272908)

(22)【出願日】2012年12月14日

(65)【公開番号】特開2013-139873(P2013-139873A)

(43)【公開日】2013年7月18日

【審査請求日】2015年12月10日

(31)【優先権主張番号】CO2011A000068

(32)【優先日】2011年12月20日

(33)【優先権主張国】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】505347503

【氏名又は名称】ヌオーヴォ ピニォーネ ソシエタ ペル アチオニ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】ニコラ・ミタリトンナ

(72)【発明者】

【氏名】ジョゼッペ・ヴァンニニ

【審査官】 長谷井 雅昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２５７１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４１０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２３７９１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４５４５５８６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｊ １５／４４

Ｆ０１Ｄ １１／０２

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

Ｆ０４Ｄ ２９／０８

Ｆ０４Ｄ ２９／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のハニカムセルと、
前記複数のハニカムセル内の少なくとも１つの周方向溝と、
前記少なくとも１つの周方向溝内の複数のベーンと、
を備え、
前記少なくとも１つの周方向溝が、第１の側壁および第２の側壁を有し、
前記複数のベーンのぞれぞれが、前記少なくとも１つの周方向溝の前記第１の側壁と前記第２の側壁との間を軸方向に延びる、
ターボ機械用のシール。

【請求項2】

前記複数のハニカムセルが、前記少なくとも１つの溝から間隔を置いて配置される、請求項１に記載のシール。

【請求項3】

前記複数のハニカムセルが、前記少なくとも１つの溝の前記第１の側壁および前記第２の側壁から延びる複数の部分的ハニカムセルを含む、請求項１に記載のシール。

【請求項4】

各ベーンが、半径方向と軸方向の少なくとも一方で先細りする、請求項１から３のいずれかに記載のシール。

【請求項5】

各ベーンが、前記少なくとも１つの溝の前記第１の側壁から前記第２の側壁に延びる方向に一定の厚さを有する、請求項１から３のいずれかに記載のシール。

【請求項6】

前記複数のハニカムセルの頂面が、第１の円筒を形成し、
前記各ベーンの頂面が、第２の円筒を形成し、
前記第１の円筒と前記第２の円筒が、同軸であり、等しい直径を有する、
請求項５に記載のシール。

【請求項7】

前記少なくとも１つの溝がある溝深さを有し、
前記複数のハニカムセルがあるセル高さを有し、
前記溝深さが前記セル高さよりも大きい、
請求項６に記載のシール。

【請求項8】

前記少なくとも１つの溝の前記第１の側壁および前記第２の側壁が、前記複数のハニカムセルからマージン領域によって分離されている、請求項１から７のいずれかに記載のシール。

【請求項9】

ターボ機械ステータと、
前記ターボ機械ステータに対して回転可能なターボ機械ロータと、
前記ステータと前記ロータとの間のシールと、
を備え、
前記シールが、
複数のハニカムセルと、
前記複数のハニカムセル内の溝と、
前記少なくとも１つの周方向溝内の複数のベーンと、
を備え、
前記少なくとも１つの周方向溝が、第１の側壁および第２の側壁を有し、
前記複数のベーンのぞれぞれが、前記少なくとも１つの周方向溝の前記第１の側壁と前記第２の側壁との間を軸方向に延びる、
ターボ機械。

【請求項10】

ターボ機械用のシールを製造する方法であって、
前記シールのシール本体に溝を形成するステップと、
前記シール本体内に複数のハニカムセルを形成するステップと、
前記溝内に少なくとも１つのスワールブレーキを設けるステップと、
を含み、
前記少なくとも１つの周方向溝が、第１の側壁および第２の側壁を有し、
前記複数のベーンのぞれぞれが、前記少なくとも１つの周方向溝の前記第１の側壁と前記第２の側壁との間を軸方向に延びる、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概してシールに関し、より詳細には、ターボ機械用のハニカムシールに関する。

【背景技術】

【0002】

圧縮機は、機械的エネルギーを使用することによって、ガスの粒子を加速し、最終的に、圧縮性流体、たとえばプロセスガスの圧力を増大させる機械である。圧縮機は、エネルギー産業において、一般に、多数の様々な種類のガスを生産し、処理し、再注入し、輸送するために使用される。様々な種類の圧縮機には、ロータに取り付けられたインペラがプロセスガスを遠心加速するいわゆる遠心圧縮機が含まれる。より一般的には、遠心圧縮機は、「ターボ機械」または「ターボ回転機械」と呼ばれる種類の機械の一部であると言える。

【0003】

高速で回転する遠心圧縮機は、ロータ動力学的に不安定になる傾向があり得る。圧縮機シールは、不安定を生じさせる不安定化力の主な原因である。このことは、天然ガス再注入など高圧高密度ガスを伴う用途に特に当てはまる。したがって、１つまたは複数のシールが全速全負荷圧縮機動作を妨げる原因となることがある。より過酷なケースでは、１つまたは複数のシールによって回転組立体に導入されるロータ不安定化力が破滅的な故障を生じさせ、コストのかかる運転停止および修理が必要になることがある。

【0004】

ハニカムシールなどいくつかのシールは、比較的メンテナンスに手間のかからない封止解決策を実現するだけでなく、そのような不安定化力に対抗することのできる減衰効果も実現することで知られている。したがって、ハニカムシールは、遠心圧縮機用途においてロータ動力学的安定性を向上させるために実装されることが多い。

【0005】

図１１に示されているように、ハニカムシール５１４は、複数のハニカムセル５１８を有するシール本体５１６を含むことができる。動作中には、ハニカムセルは、シール本体とロータとの間のシールギャップを通過する流体の流れに抵抗し、封止機能とロータ安定化機能の両方を実現する。残念なことに、ある状況およびある構成では、ハニカムシールが実際には、望ましくない負の剛性および不安定化作用（交差結合剛性）をロータ組立体に加える可能性があることがわかっている。この作用に対処するために提案されている１つの解決策は、ハニカムシールを「分割」する図１１の溝５２２などの溝を加え、それによって、不安定を生じさせる直接的な負の剛性効果を抑制する解決策である。ハニカムシールに溝を加えることに関するさらなる説明については、たとえば、参照により全体が本明細書に組み込まれるＣｈｉｌｄｓ等のＡ Ｄｅｓｉｇｎ ｔｏ Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ Ｓｔａｔｉｃ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ Ｈｏｌｅ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｓｔａｔｏｒ Ｇａｓ Ｓｅａｌｓ，ＡＳＭＥ Ｔｕｒｂｏ Ｅｘｐｏ ２００６； Ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ Ｌａｎｄ，Ｓｅａ ａｎｄ Ａｉｒ、２００６年５月８〜１１日、ＧＴ２００６−９０７７８を参照されたい。

【0006】

ロータ軸を回転させることによってプロセス流体に導入される流体渦流が、交差結合の開始時にある役割を果たし得ることもまた一般に理解されている。渦流を抑制するために、圧縮機ケーシングに１つまたは複数のベーンを加えてプロセス流体を渦流と逆方向に送ることが提案されている。ロータ軸に別のシールを加えて渦流を軽減することも提案されている。たとえば、参照により全体が本明細書に組み込まれる、１９９６年６月３０日にＳｈｕｌｔｚ等に発行された米国特許第５５４０４４７号を参照されたい。

【発明の概要】

【0007】

１つまたは複数のベーンおよび／またはさらに別の特別なシールをターボロータ軸に加えると、複雑さが増し、回転質量が増大する。これらはどちらも、圧縮機性能の向上に努めるうえで望ましくない。封止を改善し、安定化を向上させ、交差結合を軽減し、ターボ機械性能を向上させることのできるターボ機械用のシールが必要である。

【0008】

本発明の一実施形態によれば、ターボ機械用のシールが提供される。このシールは、複数のハニカムセルと、複数のハニカムセル内の少なくとも１つの周方向溝と、少なくとも１つの溝内のスワールブレーキとを備える。

【0009】

本発明の別の実施形態によれば、ターボ機械が提供される。このターボ機械は、ターボ機械ステータと、ターボ機械ステータに対して回転可能なターボ機械ロータと、ターボ機械ステータとターボ機械ロータとの間のシールとを備え、シールは、複数のハニカムセルと、複数のハニカムセル内の溝と、溝内の少なくとも１つのスワールブレーキとを含む。

【0010】

本発明の別の実施形態によれば、ターボ機械用のシールを製造する方法が提供される。この方法は、シール本体に溝を形成するステップと、シール本体内に複数のハニカムセルを形成するステップと、溝内に少なくとも１つのスワールブレーキを設けるステップとを含む。

【0011】

添付の図面は、本明細書に組み込まれかつ本明細書の一部を構成しており、１つまたは複数の実施形態を図示し、本発明の説明とともに、これらの実施形態について説明する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の例示的な実施形態を示す図である。

【図2】図１の線２−２に沿った、図１に示す例示的な実施形態の部分断面図である。

【図3】複数のハニカムセルを示す図である。

【図4】図２の線４−４に沿った、図１に示す例示的な実施形態の断面図である。

【図5】本発明の一実施形態による先細りしたスワールブレーキを含む、線Ａ−Ａに沿った図４に示す例示的な実施形態の部分断面図である。

【図6】本発明の例示的な実施形態の溝、側壁、複数のハニカムセル、およびスワールブレーキを示す図である。

【図7】本発明の例示的な実施形態の溝、複数のハニカムセル、およびスワールブレーキを示す図である。

【図8】複数の溝を含む例示的な実施形態を示す図である。

【図9】電食加工によって形成されたハニカムセルを含む例示的な実施形態を示す図である。

【図10】本発明の一実施形態による方法のフローチャートである。

【図11】本発明の一実施形態による溝を有するハニカムシールを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の例示的な実施形態についての以下の説明は添付の図面に言及する説明である。様々な図面内の同じ参照符号は同じまたは同様の要素を識別している。以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。以下の各実施形態については、説明を簡単にするために、機械ステータおよび機械ロータを有するターボ機械の用語および構造に関して考察する。しかし、次に考察する各実施形態は、これらの例示的なシステムに限定されず、他のシステムに適用されてもよい。

【0014】

本明細書全体にわたる「一実施形態」または「実施形態」の参照は、実施形態に関連して説明する特定の機能、構造、または特徴が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる様々な個所で句「一実施形態」または「実施形態」が出現した場合、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。さらに、特定の機能、構造、または特徴を、任意の適切な方法で１つまたは複数の実施形態に組み合わせてもよい。

【0015】

図１〜図４は、本発明によるターボ機械１０用のハニカムシール１４の例示的な実施形態を示す。図１は、機械ステータ１２と機械ロータ２２とを有するターボ機械１０を示す。図２に示すように、機械ステータ１２と機械ロータ２２との間のハニカムシール１４は、機械ロータ２２の周りを延びるシール本体１６を含む。ハニカムセル２６とロータ２２との間のギャップ１７（図４）は、圧縮機の回転組立体が漏れ機能ならびに減衰機能を実現できるように働く。

【0016】

さらに図２に示すように、複数のハニカムセル２６内の溝２８は、ロータ軸２４の周りを周方向に延びている。図１〜図４の例示的な実施形態において、溝２８は、ロータ２２とシール本体１６との間を軸方向に通過するプロセスガスの周方向の動きに抵抗する少なくとも１つのスワールブレーキを備える。図２および図４に示すように、少なくとも１つのスワールブレーキは溝２８内の複数のベーン３２によって形成されている。各ベーン３２は、溝２８の第１の側壁３４と第２の側壁３６との間を軸方向に延びている。

【0017】

図２および図４に示すように、各ベーン３２は、溝床４８から溝頂部５６まで延びている。ベーン３２は、シール本体１６の円周に沿って均等に分散され、一定の厚さを有する。代替実施形態（図示せず）において、ベーン３２は、溝２８の円周に沿って不均等に分散されてもよく、さらに、各ベーンの厚さは、個々のベーンにおいて一定でなくても、あるいはすべてのベーン３２にわたって互いに異なっていてもよい。たとえば、少なくとも１つのベーン３２は、溝床４８と溝頂部５６との間の半径方向において先細り状にされてもよい。先細り形状は、たとえば軸方向において設けられてもよく、少なくとも図５に示すように、少なくとも１つのベーン３２がシール本体１６の下流側端部２３からシール本体１６の上流側端部２１の方へ先細りしてもよい。代替として、ベーン３２は、シール本体１６の上流側端部２１から下流側端部２３の方へ先細りしてもよい。

【0018】

図２および図４に示す実施形態によれば、溝頂部、複数のハニカムセル２６の各々の頂面、および各ベーン３２の頂面は、共通の軸および直径を有する円筒を形成し、それによって、シール本体１６の少なくとも一部に一定の貫通穴を形成している。しかし、他の実施形態（図示せず）では、溝頂部、複数のハニカムセル２６の各々の頂面、および各ベーン３２の頂面は変化してもよい。たとえば、ハニカムセル２６の頂面は、ベーン３２の頂面によって形成される円筒とは異なる直径を有する円筒を形成してもよい。さらに図２および図４に示すように、溝２８の深さ４２はハニカムセル２６の高さ３８よりも大きい。また、各ベーン３２の高さ４４はハニカムセル２６の高さ３８よりも大きい。当業者には、溝２８、ハニカムセル２６、およびベーン３２に関するこの構成が本発明に必須の構成ではなく、例示的な実施形態に過ぎないことが理解されよう。

【0019】

さらに図２、図４および図６に示すように、溝２８は、シール本体１６の周りに互いに平行な同一の円形経路を形成する第１の側壁３４および第２の側壁３６を備える。図６に示すように、側壁３４と側壁３６はどちらも、一定の幅６０を有するマージン領域５９によってハニカムセル５８全体から分離されている。

【0020】

代替として、シール本体はマージン領域を備えていなくてもよい。たとえば、図７に示す例示的な実施形態では、側壁１３４と側壁１３６はどちらも、部分的なハニカムセル１５８に隣接している。さらに図７に示すように、ベーン１３２は、ハニカムセルの幅の２分の１、すなわちハニカムセルの互いに平行な２つの面同士の間の距離の２分の１に等しい一定の厚さを有してもよい。

【0021】

図８は、シール本体３１６の別の例示的な実施形態を示している。シール本体３１６は、それぞれ複数のハニカムセル３２６内に設けられる第１の溝３２８ならびに第２の溝３３０を含む。第１の溝３２８および第２の溝３３０は、複数のベーン３３２の形をしたスワールブレーキを含む。

【0022】

図１〜図８に示すように、複数のハニカムセルセル２６、ハニカムセル２６内の溝２８、および溝２８内のスワールブレーキ、たとえばベーン３２は、ターボ機械用のシールにおいて封止機能、ロータ軸安定化機能、および渦流抑制機能を実現するように構成されてもよい。したがって、シール１４は、ターボ機械用の従来のシールに対して、封止を改善し、安定化を向上させ、交差結合を軽減し、ターボ機械性能を向上させることができる。

【0023】

図９は、別の例示的な実施形態を示す。シール本体４１６は、電食プロセスによって形成することのできる複数のハニカムセル４２６を含む。そのようなプロセスでは、ハニカムセルの第１の列がシール本体４１６に加工される開始位置４３０にシール本体４１６を固定してもよい。次いで、シール本体４１６を新しい角度位置に移動させてもよく、そこでハニカムセルの別の列が付加される。このプロセスは、終了位置４４０に達するまでシール本体４１６の円周に沿って継続してもよい。切削プロセスの完了時に緩衝領域４５０が残ってもよいことに留意されたい。さらに、図９の実施形態では、ハニカムセル４２６全体のみがシール本体４１６に形成されるように切削プロセスが制御される。

【0024】

本発明によるシール本体４１６を製造する例示的な方法では、図５に示す溝をシール本体４１６に切削する。この切削プロセスは、切削プロセス中に複数のベーン３２が形成されるように実施されてもよい。具体的には、溝２８を区画に分け、それによって、各区画間の壁がベーン３２を形成するようにしてもよい。溝２８およびベーン３２が形成された後、上記に図９を参照して説明したように複数のハニカムセル２６を電食によって切削し、それによって、ハニカムセル２６全体と溝２８との間にマージン５９を形成する。マージン５９は、図９に示すように複数のハニカムセル４２６の周囲に設けられたマージン４７０の幅に等しい幅６０を有するように構成されてもよい。これらのステップは、任意の所望の順序で実行されても、同時に実行されてもよい。

【0025】

したがって、図１０のフローチャートに示す実施形態によれば、ターボ機械用のシールを製造する方法１０００は、シール本体に溝を形成すること（１００２）と、シール本体に複数のハニカムセルを形成すること（１００４）と、溝内に少なくとも１つのスワールブレーキを設けること（１００６）とを含むことができる。

【0026】

上述の各実施形態は、本発明を制限するものではなく、すべての点で例示的なものである。すべてのそのような変形例および修正例は、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および趣旨内にあるとみなされる。本出願の説明において使用される要素、行為、または命令はどれも、本発明にとって重大または必須であるという明示的な記述がないかぎり、そのようなものと解釈されるべきではない。また、本明細書において冠詞「ａ」が使用されるとき、１つまたは複数の項目を含むことが意図されている。

【符号の説明】

【0027】

１０ ターボ機械
１２ 機械ステータ
１４ ハニカムシール
１６ シール本体
１７ ギャップ
２２ 機械ロータ
２６ ハニカムセル
２８ 溝
３２ ベーン
３４ 第１の側壁
３６ 第２の側壁
３８ 高さ
４２ 深さ
４８ 溝床
５６ 溝頂部
５８ ハニカムセル
５９ マージン領域
６０ 一定の幅
１３２ ベーン
１３４ 側壁
１３６ 側壁
１５８ 部分的なハニカムセル
３１６ シール本体
３２６ ハニカムセル
３２８ 第１の溝
３３０ 第２の溝
３３２ ベーン
４１６ シール本体
４２６ ハニカムセル
４３０ 開始位置
４４０ 終了位置
４５０ 緩衝領域
４７０ マージン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】